CN113219436A - 一种基于晶体微环的色散干涉雷达 - Google Patents

一种基于晶体微环的色散干涉雷达 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于晶体微环的色散干涉雷达，采用超高品质因数的微腔环生成光频梳，为整个系统提供稳定的光源。利用其重复频率高的优势，有效解决了因低重频光频梳和光谱仪有限分辨率不匹配造成的测量死区，实现了无死区高精度的测量；基于反射式光栅的高速光谱仪和高速数据处理模块，有效的提升了系统的测量速度，为色散干涉雷达实时动态测量提供保证；利用晶体微环体积小的优势，整套系统可集成度高，可实现仪器小型化。本申请可兼顾高速和高精度测量的需求，体积小，有广泛的应用前景。

Description

一种基于晶体微环的色散干涉雷达
技术领域
本发明涉及雷达测量技术，特别涉及一种基于晶体微环的色散干涉雷达。
背景技术
激光雷达是利用激光进行精密测距的传感器，在自动驾驶、无人机、现场勘探和武器制导等领域有广泛的应用。目前实际应用中对激光雷达测量精度、速度和小型化等方面要求越来越高，传统的激光雷达测量方法难以满足需求，近年来微环光频梳的出现，有效的解决了这一问题。晶体微环光频梳具有重复频率高、脉冲宽度窄、相干性好、体积小、集成性好等优势，利用晶体微环光频梳高重复频率的优势，可以提高系统测量速度，实现高速实时测量。因此提出了一种基于晶体微环的色散干涉雷达，利用晶体微环生成的高重频光频梳源进行测距，每一个脉冲都能形成干涉，实现高速、高精度三维测量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于晶体微环的色散干涉雷达，本发明利用高重频晶体微环光频梳，采用色散干涉测距方案，让发射出去的每一个脉冲都能形成干涉信号，干涉信号传入高速数据处理模块，光栅和线阵探测器合理放置，让每一个探测器模块都能接收到对应波长的信号，实现等波长采样，实时解算，且本发明为绝对测距方案，解决了传统方法测量精度不高、测量速度慢和断光导致测量中断的问题。
本发明所采用的技术方案是：一种基于晶体微环的色散干涉雷达，包括：
晶体微环光频梳模块，所述晶体微环模块用于产生高重频、宽光谱的激光源，包括窄线宽激光器、功率放大器、偏振控制器、第一光环形器、晶体微环、第一光分束器和光谱仪；
测距雷达模块，所述测距雷达模块用于产生干涉信号，包括第二光分束器、第二光环形器、激光发射镜头、被测目标和合束器；
数据处理模块，所述数据处理模块包括反射式光栅、线阵探测器、数据处理电路和计算机；
所述的窄线宽激光器依次与功率放大器、偏振控制器和第一环形器链接，产生的高功率单频激光进入晶体微环，激发晶体微环内的非线性效应和热效应，从而在微环内产生四波混频效应，进而生成高重频、宽光谱的光频梳源；所述第一光分束器将产生的光频梳分成两路，其中一路链接至测距雷达模块，用于雷达测量，另一路链接至光谱仪，监测微环光频梳的状态；所述的第二光分束器将光频梳分为两路，一路作为测量激光传入第二环形器，再经激光发射镜头出射，对被测目标进行测量，另一路作为参考激光传入合束器，所述合束器将参考激光和测量激光的回光合束，形成干涉，传入数据处理模块；所述的反射式光栅将干涉光按波长分成开，用线阵探测器接收，转化为电信号传入数据处理电路中，最后通过计算机显示雷达的测量结果。
进一步地，所述的功率放大器将窄线宽激光器的功率进行放大，以达到微环震荡所需的功率阈值，通常放大至0.5W至2W，具体取决于微环加工的性能；所述的偏振控制器可以改变窄线宽激光器的偏振态，调整偏振态与晶体微环震荡的相位一致，可以让激光在微环中产生最强的震荡效应；所述的第一环形器可以防止高功率激光出现回光，保护窄线宽激光器和功率放大器的安全。
进一步地，所述晶体微环通过精密机械加工制作，微环成飞轮型，表面光滑，粗糙度小，具有超高的品质因子，并且可以在一个晶体棒上加工多个微环，用于多个激光源的生成。
进一步地，所述测距雷达模块采用色散干涉法进行测距，每一个脉冲都能形成干涉，极大的提高了测量速度，能准确的测量距离和三维形貌；利用晶体微环光梳模块生成的高重频光频梳，可以有效消除因低重频光频梳和光谱仪有限分辨率的不匹配造成的测量死区，实现高速测量。
进一步地，不同波长的光经过反射式光栅后，衍射的角度不同，波长和衍射角度的关系为：
mλ＝d(sinα+sinβ) (1)
其中，m为光栅级次，λ为衍射波长，α为入射光角度，β为衍射光角度，d 为光栅常数；
进一步地，所述的线阵列探测器分布着等间距的光电二极管，测量时需调整反射式光栅和阵列探测器的距离、角度，使得每一个光电二极管都能接收到对应波长的信号，实现干涉光谱等波长采样。
本发明的有益效果是：本发明一种基于晶体微环的色散干涉雷达，利用晶体微环震荡产生的高重频光频梳源进行测距，发出的每一个脉冲均能产生干涉，测量速度快；距离测量采用色散干涉方法，是一种绝对测距方案，可以解决断光测量中断的问题；本发明采用反射式光栅和线阵探测器配合采集，让每一个探测器都能采集到对应波长的信号，实现等波长采样，为高精度数据解算奠定基础。
附图说明
图1：本发明一种基于晶体微环的色散干涉雷达结构示意图；
附图标注：
1——晶体微环光频梳模块； 11——窄线宽激光器；
12——功率放大器； 13——偏振控制器；
14——第一光环形器； 15——晶体微环；
16——第一光分束器； 17——光谱仪；
2——测距雷达模块； 21——第二光分束器；
22——第二光环形器； 23——激光发射镜头；
24——被测目标； 25——合束器；
3——数据处理模块； 31——反射式光栅；
32——线阵探测器； 33——数据处理电路；
4——计算机。
图2：晶体微环光频梳模块产生的光谱图；
图3：雷达采集到的干涉光谱图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1所示，一种基于晶体微环的色散干涉雷达，其特征在于，包括：
晶体微环光频梳模块1，所述晶体微环模块1用于产生高重频、宽光谱的激光源，包括窄线宽激光器11、功率放大器12、偏振控制器13、第一光环形器14、晶体微环15、第一光分束器16和光谱仪17；
测距雷达模块2，所述测距雷达模块2用于产生干涉信号，包括第二光分束器21、第二光环形器22、激光发射镜头23、被测目标24和合束器25；
数据处理模块3，所述数据处理模块3包括反射式光栅31、线阵探测器32、数据处理电路33和计算机34；
所述的窄线宽激光器11依次与功率放大器12、偏振控制器13和第一环形器链接，产生的高功率单频激光进入晶体微环15，激发晶体微环15内的非线性效应和热效应，从而在微环内产生四波混频效应，进而生成高重频、宽光谱的光频梳源；所述第一光分束器16将产生的光频梳分成两路，其中一路链接至测距雷达模块2，用于雷达测量，另一路链接至光谱仪17，监测微环光频梳的状态；所述的第二光分束器21将光频梳分为两路，一路作为测量激光传入第二环形器 22，再经激光发射镜头23出射，对被测目标24进行测量，另一路作为参考激光传入合束器25，所述合束器25将参考激光和测量激光的回光合束，形成干涉，传入数据处理模块3；所述的反射式光栅31将干涉光按波长分开，用线阵探测器32接收，转化为电信号传入数据处理电路33中，最后通过计算机34显示雷达的测量结果。
所述的功率放大器12将窄线宽激光器11的功率进行放大，以达到微环震荡所需的功率阈值，通常放大至0.5W至2W，具体取决于微环加工的性能；所述的偏振控制器13可以改变窄线宽激光器11的偏振态，调整偏振态与晶体微环震荡的相位一致，可以让激光在微环中产生最强的震荡效应；所述的第一环形器 14可以防止高功率激光出现回光，保护窄线宽激光器11和功率放大器12的安全。
所述晶体微环15通过精密机械加工制作，微环成飞轮型，表面光滑，粗糙度小，具有超高的品质因子，并且可以在一个晶体棒上加工多个微环，用于多个激光源的生成，生成的光频梳光谱如图2所示。
所述测距雷达模块2采用色散干涉法进行测距，每一个脉冲都能形成干涉，极大的提高了测量速度，能准确的测量距离和三维形貌，测量干涉光谱如图3 所示；利用晶体微环光梳模块1生成的高重频光频梳，可以有效消除因低重频光频梳和光谱仪有限分辨率的不匹配造成的测量死区，实现高速测量。不同波长的光经过反射式光栅31后，衍射的角度不同，波长和衍射角度的关系为：
mλ＝d(sinα+sinβ) (1)
其中，m为光栅级次，λ为衍射波长，α为入射光角度，β为衍射光角度，d 为光栅常数；
所述的线阵列探测器32分布着等间距的光电二极管，测量时需调整反射式光栅31和阵列探测器32的距离、角度，使得每一个光电二极管都能接收到对应波长的信号，实现干涉光谱等波长采样。
综上所示，本发明的一种基于晶体微环的色散干涉雷达，可以实现高速、高精度三维测量，体积小，易于集成，在自动驾驶、测绘等领域有广泛的应用前景。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于晶体微环的色散干涉雷达，其特征在于，包括：
晶体微环光频梳模块(1)，所述晶体微环模块(1)用于产生高重频、宽光谱的激光源，包括窄线宽激光器(11)、功率放大器(12)、偏振控制器(13)、第一光环形器(14)、晶体微环(15)、第一光分束器(16)和光谱仪(17)；
测距雷达模块(2)，所述测距雷达模块(2)用于产生干涉信号，包括第二光分束器(21)、第二光环形器(22)、激光发射镜头(23)、被测目标(24)和合束器(25)；
数据处理模块(3)，所述数据处理模块(3)包括反射式光栅(31)、线阵探测器(32)、数据处理电路(33)和计算机(34)；
所述的窄线宽激光器(11)依次与功率放大器(12)、偏振控制器(13)和第一环形器链接，产生的高功率单频激光进入晶体微环(15)，激发晶体微环(15)内的非线性效应和热效应，从而在微环内产生四波混频效应，进而生成高重频、宽光谱的光频梳源；所述第一光分束器(16)将产生的光频梳分成两路，其中一路链接至测距雷达模块(2)，用于雷达测量，另一路链接至光谱仪(17)，监测微环光频梳的状态；所述的第二光分束器(21)将光频梳分为两路，一路作为测量激光传入第二环形器(22)，再经激光发射镜头(23)出射，对被测目标(24)进行测量，另一路作为参考激光传入合束器(25)，所述合束器(25)将参考激光和测量激光的回光合束，形成干涉，传入数据处理模块(3)；所述的反射式光栅(31)将干涉光按波长分成开，用线阵探测器(32)接收，转化为电信号传入数据处理电路(33)中，最后通过计算机(34)显示雷达的测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于晶体微环的色散干涉雷达，其特征在于，所述的功率放大器(12)将窄线宽激光器(11)的功率进行放大，以达到微环震荡所需的功率阈值，通常放大至0.5W至2W，具体取决于微环加工的性能；所述的偏振控制器(13)可以改变窄线宽激光器(11)的偏振态，调整偏振态与晶体微环震荡的相位一致，可以让激光在微环中产生最强的震荡效应；所述的第一环形器(14)可以防止高功率激光出现回光，保护窄线宽激光器(11)和功率放大器(12)的安全。
3.根据权利要求1所述的一种基于晶体微环的色散干涉雷达，其特征在于，所述晶体微环(15)通过精密机械加工制作，微环成飞轮型，表面光滑，粗糙度小，具有超高的品质因子，并且可以在一个晶体棒上加工多个微环，用于多个激光源的生成。
4.根据权利要求1所述的一种基于晶体微环的色散干涉雷达，其特征在于，所述测距雷达模块(2)采用色散干涉法进行测距，每一个脉冲都能形成干涉，极大的提高了测量速度，能准确的测量距离和三维形貌；利用晶体微环光梳模块(1)生成的高重频光频梳，可以有效消除因低重频光频梳和光谱仪有限分辨率的不匹配造成的测量死区，实现高速测量。
5.根据权利要求1所述的一种基于晶体微环的色散干涉雷达，其特征在于，不同波长的光经过反射式光栅(31)后，衍射的角度不同，波长和衍射角度的关系为：
mλ＝d(sinα+sinβ) (1)
其中，m为光栅级次，λ为衍射波长，α为入射光角度，β为衍射光角度，d为光栅常数。
6.根据权利要求1所述的一种基于晶体微环的色散干涉雷达，其特征在于，所述的线阵列探测器(32)分布着等间距的光电二极管，测量时需调整反射式光栅(31)和阵列探测器(32)的距离、角度，使得每一个光电二极管都能接收到对应波长的信号，实现干涉光谱等波长采样。
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