CN113640832A - 一种多波束相干探测激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波束相干探测激光雷达，包括种子光激光器、第一多通道光纤分束器、声光调制器、第一脉冲光纤放大器、第二多通道光纤分束器、第二脉冲光纤放大器、环行器、多波束收发望远镜、光纤合束器、平衡探测器与多通道模拟采集卡；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、速度和风场；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风场和目标探测；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

一种多波束相干探测激光雷达

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相干探测激光雷达。

背景技术

激光雷达以其方向性好、时间分辨率和空间分辨率高、精度高、非接触(遥感)探测等优点，已应用于测速、成像、污染物监测、测风、测温、密度探测等领域。相干激光雷达采用外差探测方式，其后向散射信号经由本振光得到放大，其信噪比理论上可达到量子极限。相干雷达要求本振光及信号光的波前匹配，因此相干激光雷达能够对背景噪声、探测器噪声具有抑制作用，可实现在无滤波器的条件下连续观测。对比直接测风激光雷达，相干雷达无需光学鉴频器，接收光路简单，对温度梯度、应力梯度不敏感。

国内外已广泛开展相干多普勒激光雷达研究工作。代表性的，洛克希德马丁公司和美国相干技术公司(LMCT)一直在致力于相干多普勒测风激光雷达的研究。在2002年，LMCT发布了基于2μm的WindTracer商用相干多普勒测风激光雷达系统。目前WindTracer已经升级为基于1.617μm的Er:YAG激光器。NASA使用商用WindTracer系统进行了飞机风切边，晴空湍流等探测，并于2009年在丹佛国际机场对飞机涡流进行了建模和预测器。NASA使用商用WindTracer系统进行了飞机风切变，晴空湍流等探测，并于2009年在丹佛国际机场对飞机涡流进行了建模和预测。2012年，日本三菱公司使用Er,Yb:Glass平面波导技术，使用二级激光放大技术，对出射激光输出功率进行放大，实现了超过30km的水平风场探测。2015年，ONERA通过使用多个光纤放大器并联，提高光纤激光器的激光脉冲能量至500μJ，实现了16km的风场探测。

国内方面，2011年，中国西南技术物理所(SITP)(209所)周鼎富课题组在报道了1.55μm全光纤相干多普勒测风激光雷达系统，实现了5m～200m高度范围内的风场测量，并与试验基地内测风塔数据进行了对比。2017年，中国科学技术大学夏海云课题组研制成功世界上第一台能同时观测大气退偏振比和大气风场的相干多普勒测风激光雷达。

但目前商用用多普勒激光雷达性能仍存在诸多不足，如视场角小、无法实现三维风场探测、无法目标探测等。针对高速变化的大气风场和高速目标探测，需求一种具有大视场探测能力的风场和目标同时探测的相干激光雷达。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多波束相干探测激光雷达，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：

一种多波束相干探测激光雷达，包括种子光激光器、第一多通道光纤分束器、声光调制器、第一脉冲光纤放大器、第二多通道光纤分束器、第二脉冲光纤放大器、环行器、多波束收发望远镜、光纤合束器、平衡探测器与多通道模拟采集卡，所述种子光激光器的光源点通过光纤连接第一多通道光纤分束器的输入端，所述第一多通道光纤分束器的输出端分别连接声光调制器的输入端与光纤合束器的输入端，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第二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光纤合束器的输入端口，所述光纤合束器的输出端口通过光纤连接平衡探测器的输入端，所述平衡探测器的输出端通过电信号连接多通道模拟采集卡。

优选的，所述多波束收发望远镜为形成扇形空间激光线阵。

优选的，所述声光调制器的调制结果为脉冲光。

优选的，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。

优选的，所述多波束收发望远镜耦合的光纤为多模光纤。

基于一种多波束相干探测激光雷达，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、通过第一多通道光纤分束器将单模窄线宽稳频连续光均分为1+N束功率相等的窄线宽稳频连续光；

步骤3、第一多通道分束器均分后的1束窄线宽稳频连续光进入声光调制器C，通过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第二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光纤合束器，同时步骤2中第一多通道光纤分束器均分后的N束窄线宽稳频连续光通过光纤导入光纤合束器；

步骤11、光纤合束器将反馈脉冲光与窄线宽稳频连续光进行相互干涉，而后将获得的合束干涉光导向平衡探测器；

步骤12、平衡探测器对合束干涉光进行探测，获得脉冲电信号；

步骤13、平衡探测器将脉冲电信号导入多通道模拟采集卡，进行信号数据采集。

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、速度和风场；

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风场和目标探测；

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，第一多通道光纤分束器-B，声光调制器-C，第一脉冲光纤放大器-D，第二多通道光纤分束器-E，第二脉冲光纤放大器-F，环行器-G，多波束收发望远镜-H，光纤合束器-I，平衡探测器-J，多通道模拟采集卡-K。

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：一种多波束相干探测激光雷达，包括种子光激光器A、第一多通道光纤分束器B、声光调制器C、第一脉冲光纤放大器D、第二多通道光纤分束器E、第二脉冲光纤放大器F、环行器G、多波束收发望远镜H、光纤合束器I、平衡探测器J与多通道模拟采集卡K，所述种子光激光器A的光源点通过光纤连接第一多通道光纤分束器B的输入端，所述第一多通道光纤分束器B的输出端分别连接声光调制器C的输入端与光纤合束器I的输入端，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第二多通道光纤分束器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光纤合束器I的输入端口，所述光纤合束器I的输出端口通过光纤连接平衡探测器J的输入端，所述平衡探测器J的输出端通过电信号连接多通道模拟采集卡K。

具体而言，所述多波束收发望远镜H为形成扇形空间激光线阵。

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

具体而言，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。

具体而言，所述多波束收发望远镜H耦合的光纤为多模光纤。

基于一种多波束相干探测激光雷达，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、通过第一多通道光纤分束器B将单模窄线宽稳频连续光均分为1+N束功率相等的窄线宽稳频连续光；

步骤3、第一多通道分束器B均分后的1束窄线宽稳频连续光进入声光调制器C，通过声光调制器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第二多通道光纤分束器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光纤合束器I，同时步骤2中第一多通道光纤分束器B均分后的N束窄线宽稳频连续光通过光纤导入光纤合束器I；

步骤11、光纤合束器I将反馈脉冲光与窄线宽稳频连续光进行相互干涉，而后将获得的合束干涉光导向平衡探测器J；

步骤12、平衡探测器J对合束干涉光进行探测，获得脉冲电信号；

步骤13、平衡探测器J将脉冲电信号导入多通道模拟采集卡K，进行信号数据采集。

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 (6)

1.一种多波束相干探测激光雷达，包括种子光激光器A、第一多通道光纤分束器B、声光调制器C、第一脉冲光纤放大器D、第二多通道光纤分束器E、第二脉冲光纤放大器F、环行器G、多波束收发望远镜H、光纤合束器I、平衡探测器J与多通道模拟采集卡K，其特征在于：所述种子光激光器A的光源点通过光纤连接第一多通道光纤分束器B的输入端，所述第一多通道光纤分束器B的输出端分别连接声光调制器C的输入端与光纤合束器I的输入端，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第二多通道光纤分束器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光纤合束器I的输入端口，所述光纤合束器I的输出端口通过光纤连接平衡探测器J的输入端，所述平衡探测器J的输出端通过电信号连接多通道模拟采集卡K。

2.根据权利要求1所述的一种多波束相干探测激光雷达，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所述的一种多波束相干探测激光雷达，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所述的一种多波束相干探测激光雷达，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所述的一种多波束相干探测激光雷达，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。

6.基于权利要求1-5所述的一种多波束相干探测激光雷达，其特征在于，装置工作包括如下步骤：

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、通过第一多通道光纤分束器B将单模窄线宽稳频连续光均分为1+N束功率相等的窄线宽稳频连续光；

步骤3、第一多通道分束器B均分后的1束窄线宽稳频连续光进入声光调制器C，通过声光调制器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第二多通道光纤分束器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光纤合束器I，同时步骤2中第一多通道光纤分束器B均分后的N束窄线宽稳频连续光通过光纤导入光纤合束器I；

步骤11、光纤合束器I将反馈脉冲光与窄线宽稳频连续光进行相互干涉，而后将获得的合束干涉光导向平衡探测器J；

步骤12、平衡探测器J对合束干涉光进行探测，获得脉冲电信号；

步骤13、平衡探测器J将脉冲电信号导入多通道模拟采集卡K，进行信号数据采集。

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