CN113640813A - 一种多波束单光子探测激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波束单光子探测激光雷达，包括种子光激光器、光纤隔离器、声光调制器、第一脉冲光纤放大器、多通道光纤分束器、脉冲光纤放大器、环行器、多波束收发望远镜、单光子探测器与多通道数字采集卡，所述种子光激光器的光源点通过光纤连接光纤隔离器的输入端，所述光纤隔离器的输出端通过光纤连接声光调制器的信号输入端；本发明采用大视场多线激光输出，可同时探测N个视场的目标距离、仰角、方位和风场；采用大视场角的激光多线输出，在保障探测距离的同时增大了探测视场角范围；搭配水平扫描装置，可以实现高速三维空间大气和目标探测；采用单台种子光激光器驱动N台激光放大器的方法，节省了多台种子光激光器的成本。

Description

一种多波束单光子探测激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种多波束单光子探测激光雷达。

背景技术

激光雷达的基本原理是：出射激光脉冲与大气相互作用，采用光学天线收集大气后向散射信号后输入光学接收机，经光电转换、模数转换和数据处理后，得出一系列关键大气参数。诸如气溶胶浓度、PM2.5值、云高、温度、湿度、能见度、大气成分(如水汽、各种污染气体成分)等。

从探测方式上，1.5μm激光雷达分为直接探测激光雷达和相干探测激光雷达。直接探测测风激光雷达利用直接探测器如单光子探测器探测大气回波强度，获得大气参数信息。直接测风激光雷达会在探测器前加鉴频器，将激光频率的变化转化成能量的相对变化，从而提取风速信息。相干探测激光雷达通过大气回波信号与本振信号进行拍频，通过对拍频信号后的射频信号进行傅里叶变换后提取大气的多普勒功率谱信息。功率谱的中心频移可以反映风速信息，谱面积即大气回波信号强度。两者相比，直接探测雷达拥有高灵敏度、高距离分辨率的优势，而相干探测测风激光雷达除了风场探测能力，还可以探测得到其它回波信号信息，从而探测雨、降雪、云和风切变等大气参数。

在直接探测激光雷达方向，中国科学技术大学激光雷达团队研发了单光子探测激光雷达。该雷达不再依赖高功率激光器、大面积望远镜，提出高量子效率、全光纤集成的方案。目前，单光子探测激光雷达可以实现气象参数(风、温、湿、密度)探测，也可以实现环保参数(PM2.5\PM10、能见度、大气污染成分、染颗粒物偏振态)探测。在相干探测方向，中国科学技术大学发展了高时空分辨率、长探测距离的高性能大气探测相干激光雷达。通过对传统相干系统的升级和数据处理算法的改进，开发了偏振态、云、降水、风切变、湍流探测的能力，并实现了单台相干激光雷达多大气参数探测。

但目前商用激光雷达性能仍存在诸多不足，如视场角小、无法实现三维探测、无法目标探测等。针对高速变化的大气和高速目标探测，需求一种具有大视场探测能力的大气和目标同时探测的单光子探测激光雷达。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多波束单光子探测激光雷达，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多波束单光子探测激光雷达，包括种子光激光器、光纤隔离器、声光调制器、第一脉冲光纤放大器、多通道光纤分束器、脉冲光纤放大器、环行器、多波束收发望远镜、单光子探测器与多通道数字采集卡，所述种子光激光器的光源点通过光纤连接光纤隔离器的输入端，所述光纤隔离器的输出端通过光纤连接声光调制器的信号输入端，所述声光调制器的信号输出端通过光纤连接第一脉冲光纤放大器的信号输入端，所述第一脉冲光纤放大器的信号输出端通过光纤连接多通道光纤分束器的信号输入端口，所述多通道光纤分束器的输出端口通过光纤连接n个第二脉冲光纤放大器的输入端口，n个所述的第二脉冲光纤放大器的输出端口分别通过光纤连接n个环行器的第一端口，n个所述的环行器的第二端口通过光纤连接多波束收发望远镜，n个所述的环行器的第三端口通过光纤连接单光子探测器的输入端口，所述单光子探测器的输出端口电信号连接多通道数字采集卡。

所述多波束收发望远镜为形成扇形空测激光线阵。

所述声光调制器的调制结果为脉冲光。

所述种子光激光器输出的波长可为紫外光、可见光或红外光。

所述单光子探测器为Si APD探测器、PMT探测器、InGaAs APD探测器、频率上转换单光子探测器或超导纳米线单光子探测器。

所述多波束收发望远镜耦合的光纤为多模光纤。

基于一种多波束单光子探测激光雷达，装置工作流程包括如下步骤：

步骤1、通过种子光激光器产生单模窄线宽稳频连续光；

步骤2、通过光纤隔离器对单模窄线宽稳频连续光进行隔离；

步骤3、隔离后的单模窄线宽稳频连续光进入声光调制器，声光调制器调制获得脉冲光；

步骤4、脉冲光通过光纤导入第一脉冲光纤放大器，通过第一脉冲光纤放大器进行功率放大，获得第一次功率放大脉冲光；

步骤5、第一次功率放大脉冲光通过多通道光纤分束器进行均分，获得n股功率相等的脉冲光；

步骤6、n股功率相等的脉冲光分别独立流向对应的第二脉冲光纤放大器，通过对应的第二脉冲光纤放大器将器流入的分股后的脉冲光进行再次放大，获得第二次功率放大脉冲光；

步骤7、n股第二次功率放大脉冲光通过光纤导入对应的环行器，环行器对第二次功率放大脉冲光进行单向隔离；

步骤8、环行器的第二端口将第二次功率放大脉冲光通过光纤导向多波束收发望远镜，而后通过多波束收发望远镜将第二次功率放大脉冲光阵列发射，并对反射脉冲光进行接收；

步骤9、反射的脉冲光通过多模光纤回传反馈至环行器，而后通过环行器的第三端口导出，获得反馈脉冲光；

步骤10、反馈脉冲光通过光纤进入单光子探测器，通过单光子探测器对反馈脉冲光进行感应，继而获得感应电信号；

步骤11、单光子探测器将感应电信号导向多通道数字采集卡，进行电信号处理及采集。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用大视场多线激光输出，可同时探测N个视场的目标距离、仰角、方位和风场；

2、本发明采用大视场角的激光多线输出，在保障探测距离的同时增大了探测视场角范围；

3、本发明搭配水平扫描装置，可以实现高速三维空间大气和目标探测；

4、本发明采用单台种子光激光器驱动N台激光放大器的方法，节省了多台种子光激光器的成本。

说明书附图

图1为本发明的系统结构图。

图中：种子光激光器-A，光纤隔离器-B，声光调制器-C，第一脉冲光纤放大器-D，多通道光纤分束器-E，脉冲光纤放大器-F，环行器-G，多波束收发望远镜-H，单光子探测器-I，多通道数字采集卡-J。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种多波束单光子探测激光雷达，包括种子光激光器A、光纤隔离器B、声光调制器C、第一脉冲光纤放大器D、多通道光纤分束器E、脉冲光纤放大器F、环行器G、多波束收发望远镜H、单光子探测器I与多通道数字采集卡J，所述种子光激光器A的光源点通过光纤连接光纤隔离器B的输入端，所述光纤隔离器B的输出端通过光纤连接声光调制器C的信号输入端，所述声光调制器C的信号输出端通过光纤连接第一脉冲光纤放大器D的信号输入端，所述第一脉冲光纤放大器D的信号输出端通过光纤连接多通道光纤分束器E的信号输入端口，所述多通道光纤分束器E的输出端口通过光纤连接n个第二脉冲光纤放大器F的输入端口，n个所述的第二脉冲光纤放大器F的输出端口分别通过光纤连接n个环行器G的第一端口，n个所述的环行器G的第二端口通过光纤连接多波束收发望远镜H，n个所述的环行器G的第三端口通过光纤连接单光子探测器I的输入端口，所述单光子探测器I的输出端口电信号连接多通道数字采集卡J。

所述多波束收发望远镜H为形成扇形空测激光线阵。

所述声光调制器C的调制结果为脉冲光，本实施例中的调制结果为编码准连续脉冲光。

所述种子光激光器A输出的波长可为紫外光、可见光或红外光。

所述单光子探测器I为Si APD探测器、PMT探测器、InGaAs APD探测器、频率上转换单光子探测器或超导纳米线单光子探测器。

所述多波束收发望远镜H耦合的光纤为多模光纤。

基于一种多波束单光子探测激光雷达，装置工作流程包括如下步骤：

步骤1、通过种子光激光器A产生单模窄线宽稳频连续光；

步骤2、通过光纤隔离器B对单模窄线宽稳频连续光进行隔离；

步骤3、隔离后的单模窄线宽稳频连续光进入声光调制器C，声光调制器C调制获得脉冲光；

步骤4、脉冲光通过光纤导入第一脉冲光纤放大器D，通过第一脉冲光纤放大器D进行功率放大，获得第一次功率放大脉冲光；

步骤5、第一次功率放大脉冲光通过多通道光纤分束器E进行均分，获得n股功率相等的脉冲光；

步骤6、n股功率相等的脉冲光分别独立流向对应的第二脉冲光纤放大器F，通过对应的第二脉冲光纤放大器F将器流入的分股后的脉冲光进行再次放大，获得第二次功率放大脉冲光；

步骤7、n股第二次功率放大脉冲光通过光纤导入对应的环行器G，环行器G对第二次功率放大脉冲光进行单向隔离；

步骤8、环行器G的第二端口将第二次功率放大脉冲光通过光纤导向多波束收发望远镜H，而后通过多波束收发望远镜H将第二次功率放大脉冲光阵列发射，并对反射脉冲光进行接收；

步骤9、反射的脉冲光通过多模光纤回传反馈至环行器G，而后通过环行器G的第三端口导出，获得反馈脉冲光；

步骤10、反馈脉冲光通过光纤进入单光子探测器I，通过单光子探测器I对反馈脉冲光进行感应，继而获得感应电信号；

步骤11、单光子探测器I将感应电信号导向多通道数字采集卡，进行电信号处理及采集。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种多波束单光子探测激光雷达，包括种子光激光器A、光纤隔离器B、声光调制器C、第一脉冲光纤放大器D、多通道光纤分束器E、脉冲光纤放大器F、环行器G、多波束收发望远镜H、单光子探测器I与多通道数字采集卡J，其特征在于：所述种子光激光器A的光源点通过光纤连接光纤隔离器B的输入端，所述光纤隔离器B的输出端通过光纤连接声光调制器C的信号输入端，所述声光调制器C的信号输出端通过光纤连接第一脉冲光纤放大器D的信号输入端，所述第一脉冲光纤放大器D的信号输出端通过光纤连接多通道光纤分束器E的信号输入端口，所述多通道光纤分束器E的输出端口通过光纤连接N个第二脉冲光纤放大器F的输入端口，N个所述的第二脉冲光纤放大器F的输出端口分别通过光纤连接N个环行器G的第一端口，N个所述的环行器G的第二端口通过光纤连接多波束收发望远镜H，N个所述的环行器G的第三端口通过光纤连接单光子探测器I的输入端口，所述单光子探测器I的输出端口电信号连接多通道数字采集卡J。

2.根据权利要求1所述的一种多波束单光子探测激光雷达，其特征在于：所述多波束收发望远镜H为形成扇形空间激光线阵。

3.根据权利要求1所述的一种多波束单光子探测激光雷达，其特征在于：所述声光调制器C的调制结果为脉冲光。

4.根据权利要求1所述的一种多波束单光子探测激光雷达，其特征在于：所述种子光激光器A输出的波长可为紫外光、可见光或红外光。

5.根据权利要求1所述的一种多波束单光子探测激光雷达，其特征在于：所述单光子探测器I为Si APD探测器、PMT探测器、InGaAs APD探测器、频率上转换单光子探测器或超导纳米线单光子探测器。

6.根据权利要求1所述的一种多波束单光子探测激光雷达，其特征在于：所述多波束收发望远镜H耦合的光纤为多模光纤。

7.基于权利要求1-6所述的一种多波束单光子探测激光雷达，其特征在于，装置工作流程包括如下步骤：

步骤1、通过种子光激光器A产生单模窄线宽稳频连续光；

步骤2、通过光纤隔离器B对单模窄线宽稳频连续光进行隔离；

步骤3、隔离后的单模窄线宽稳频连续光进入声光调制器C，声光调制器C调制获得脉冲光；

步骤4、脉冲光通过光纤导入第一脉冲光纤放大器D，通过第一脉冲光纤放大器D进行功率放大，获得第一次功率放大脉冲光；

步骤5、第一次功率放大脉冲光通过多通道光纤分束器E进行均分，获得n股功率相等的脉冲光；

步骤6、N股功率相等的脉冲光分别独立流向对应的第二脉冲光纤放大器F，通过对应的第二脉冲光纤放大器F将器流入的分股后的脉冲光进行再次放大，获得第二次功率放大脉冲光；

步骤7、N股第二次功率放大脉冲光通过光纤导入对应的环行器G，环行器G对第二次功率放大脉冲光进行单向隔离；

步骤8、环行器G的第二端口将第二次功率放大脉冲光通过光纤导向多波束收发望远镜H，而后通过多波束收发望远镜H将第二次功率放大脉冲光阵列发射，并对反射脉冲光进行接收；

步骤9、反射的脉冲光通过多模光纤回传反馈至环行器G，而后通过环行器G的第三端口导出，获得反馈脉冲光；

步骤10、反馈脉冲光通过光纤进入单光子探测器I，通过单光子探测器I对反馈脉冲光进行感应，继而获得感应电信号；

步骤11、单光子探测器I将感应电信号导向多通道数字采集卡，进行电信号处理及采集。

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