CN114089312B - 同轴激光收发器及同轴激光收发探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了同轴激光收发器及同轴激光收发探测装置，其中，同轴激光收发器包括光纤收发器件和端面噪声消除器，端面噪声消除器包括端帽主体，以及设置在端帽主体两侧的第一端帽端面和第二端帽端面，光纤收发器件用于接收激光，并将激光通过第一端帽端面和端帽主体传输至第二端帽端面，第二端帽端面用于对激光进行端面反射噪声处理，得到处理后的激光；以及，接收处理后的激光经探测目标物反馈的信号激光，并将信号激光通过端帽主体和第一端帽端面传输至光纤收发器件；该同轴激光收发器不仅可以缓解光纤端面反射噪声较大的问题，还提高了收发效率，实现了低噪声和高效率的激光共轴收发探测，具有较好的实用价值。

Description

同轴激光收发器及同轴激光收发探测装置

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，尤其是涉及同轴激光收发器及同轴激光收发探测装置。

背景技术

近年来，在智慧城市、自动驾驶、仿形加工和古建筑修复等领域，三维环境感知与场景识别技术的需求与日俱增。其中，日益成熟的光电探测技术扮演着重要的角色，而激光收发探测装置是其中的重要组成部分。

激光收发探测装置可分为收发分轴和收发同轴两种形式；其中，收发分轴是将发射光学系统与接收光学系统设计成独立的两套系统，由于收发系统的光路不在同一光轴，需要较多的透镜组合和分光镜片，导致系统复杂程度较高，整体装置的体积较大；以及，还存在杂散光来源较多，难以消除，近距盲区大等问题。收发同轴则拥有着体积小和杂散光较少的优点，特别是基于光纤收发器件的同轴激光收发探测装置，更是进一步减少透镜的数量，使得结构更加紧凑和轻便。然而，目前全光纤共轴收发器件，包括环形器、双包层光纤耦合器和双光纤等都存在一个固有噪声：光纤端面的菲涅尔反射，该噪声往往远大于光电探测器的饱和值，极大影响了信号的探测精准度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供同轴激光收发器及同轴激光收发探测装置，以缓解上述问题，不仅可以缓解光纤端面反射噪声较大的问题，同时还提高了收发效率，实现了低噪声和高效率的激光共轴收发探测。

第一方面，本发明实施例提供了一种同轴激光收发器，包括光纤收发器件和端面噪声消除器；其中，端面噪声消除器包括端帽主体，以及设置在端帽主体两侧的第一端帽端面和第二端帽端面，第二端帽端面和部分第一端帽端面均设置有增透膜层；第一端帽端面还与光纤收发器件连接；光纤收发器件，用于接收激光，并将激光发送至第一端帽端面；第一端帽端面，用于将激光经端帽主体传输至第二端帽端面；第二端帽端面，用于对激光进行端面反射噪声处理，得到处理后的激光；以及，接收处理后的激光经探测目标物反馈的信号激光，并将信号激光通过端帽主体和第一端帽端面传输至光纤收发器件。

优选地，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述第二端帽端面为具有倾斜角度的端面；其中，倾斜角度不超过激光在第二端帽端面的全反射角。

优选地，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述端帽主体的形状包括以下至少之一：圆柱体、柱体和椎体。

优选地，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，光纤收发器件包括分光单元和光纤端口，分光单元通过光纤端口与端面噪声消除器连接；其中，分光单元包括以下之一：环形器和双包层光纤耦合器。

优选地，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述端帽主体、第一端帽端面和第二端帽端面均包括端帽材料；其中，端帽材料的折射率与光纤端口的光纤折射率相匹配。

优选地，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，如果分光单元为环形器，光纤端口包括：发射端、收发端和接收端；其中，分光单元通过收发端与端面噪声消除器连接。

优选地，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，如果分光单元为双包层光纤耦合器，光纤端口包括：发射端、收发端、接收端和附加端；其中，分光单元通过收发端和附加端与端面噪声消除器连接。

优选地，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，上述发射端的光纤类型包括以下至少之一：单模光纤、多模光纤和双包层光纤；收发端的光纤类型为双包层光纤；接收端的光纤类型为多模光纤。

第二方面，本发明实施例提供了一种同轴激光收发探测装置，该装置包括上述第一方面的同轴激光收发器，以及激光发射单元、光学透镜单元和光电探测单元；其中，激光发射单元、同轴激光收发器和光学透镜单元依次设置，光电探测单元与同轴激光收发器连接；激光发射单元，用于发射激光；光学透镜单元，用于接收同轴激光收发器发送的处理后的激光，并将处理后的激光传输至探测目标物；以及，接收处理后的激光经探测目标物反馈的信号激光，并将信号激光发送至同轴激光收发器；光电探测单元，用于接收同轴激光收发器发送的信号激光，并转换成电信号。优选地，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，上述光学透镜单元包括单个透镜，或者，多个透镜组成的透镜组合。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供了同轴激光收发器及同轴激光收发探测装置，其中，端面噪声消除器包括端帽主体，以及设置在端帽主体两侧的第一端帽端面和第二端帽端面，光纤收发器件用于接收激光，并将激光通过第一端帽端面和端帽主体传输至第二端帽端面，第二端帽端面用于对激光进行端面反射噪声处理，得到处理后的激光；以及，接收处理后的激光经探测目标物反馈的信号激光，并将信号激光通过端帽主体和第一端帽端面传输至光纤收发器件；上述同轴激光收发器，不仅可以缓解光纤端面反射噪声较大的问题，同时还提高了收发效率，实现了低噪声和高效率的激光共轴收发探测，具有较好的实用价值，便于在实际光电探测中推广实施。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种同轴激光收发器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种端面噪声消除器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种光纤收发器件的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种端面噪声消除器的原理示意图；

图5为本发明实施例提供的一种同轴激光收发探测装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

为便于对本实施例进行理解，下面首先对本发明实施例提供的一种同轴激光收发器进行详细介绍。

本发明实施例提供了一种同轴激光收发器，如图1所示，该同轴激光收发器包括光纤收发器件2和端面噪声消除器3；其中，如图2所示，端面噪声消除器3包括端帽主体32，以及设置在端帽主体32两侧的第一端帽端面31和第二端帽端面33，第二端帽端面33和部分第一端帽端面31均设置有增透膜层34；第一端帽端面31还与光纤收发器件2连接；即将第一端帽端面31分为两部分，第一部分与光纤收发器件2连接，且，不镀增透膜层34，第二部分则镀有增透膜层34，在实际应用中，第一部分的尺寸通常大于两倍的匹配光纤的直径，具体可以根据实际情况进行设置。

具体地，光纤收发器件2用于接收激光，并将激光发送至第一端帽端面31；第一端帽端面31用于将激光经端帽主体32传输至第二端帽端面33；第二端帽端面33用于对激光进行端面反射噪声处理，得到处理后的激光；以及，接收处理后的激光经探测目标物反馈的信号激光，并将信号激光通过端帽主体32和第一端帽端面31传输至光纤收发器件2，从而不仅可以通过端面噪声消除器3缓解光纤端面反射噪声较大的问题，还通过光纤收发器件2实现了低噪声和高效率的激光共轴收发探测，提高了收发效率，具有较好的实用价值。

其中，上述端帽主体32的形状包括以下至少之一：圆柱体、柱体和椎体，即可以为圆柱体、柱体和椎体，也可以为圆柱体、柱体和椎体三者组成的所有可能的组合。此外，端帽主体32的端帽材料满足以下条件：（1）对传导激光的透过率要高，从而激光可以通过端帽主体32传输至第二端帽端面33；（2）其折射率等于与其匹配的纤芯折射率。此外，还对端帽主体32的侧表面做毛化处理，以对端帽主体32侧面边界的激光造成损耗，防止侧表面反射光进入光纤造成噪声，从而提高了端面反射噪声的处理效果。

以及，上述第二端帽端面33还被切成一定的角度，即第二端帽端面33为具有倾斜角度的端面；这里倾斜角度不超过激光在第二端帽端面的全反射角，如可以设置为 [0°，45°]，具体可以根据实际情况进行设置。对于设置在第一端帽端面31的第一部分和全部第二端帽端面33的增透膜层34，则工作在激光的波段，具体可以根据光纤收发器件2传输的激光的波长确定。

进一步，对于上述光纤收发器件2，如图3所示，则包括分光单元21和光纤端口，其中，光纤端口的数量为3个或4个，这里以4个为例，分别为发射端221、收发端223、接收端222和附加端224。在实际应用中，分光单元21通过光纤端口与端面噪声消除器3连接。

其中，分光单元21用于将激光传递到收发端223中，以便通过收发端223将激光传递至端面噪声消除器3中；以及，通过收发端223接收端面噪声消除器3返回的信号激光，并将信号激光尽可能多的分配至接收端222中。此外，分光单元21还通过熔融拉锥、腐蚀法、抛磨法和简单接触法等工艺方法得到的各种结构，包括但不仅限于：环形器和双包层光纤耦合器以及双光纤结构等。具体地，如果分光单元21为环形器，光纤端口包括：发射端221、收发端223和接收端222；其中，分光单元21通过收发端223与端面噪声消除器3连接；如果分光单元21为双包层光纤耦合器，光纤端口包括：发射端221、收发端223、接收端222和附加端224；其中，分光单元21通过收发端223和附加端224与端面噪声消除器3连接。

需要说明的是，上述附加端224为特定分光单元21对应的固有特征，在实际收发探测过程中，主要是结合收发端223与端面噪声消除器3连接，以降低同轴激光收发探测装置的总体端面反射噪声。

因此，光纤收发器件2与端面噪声消除器3的连接方式为：对于仅有3个光纤端口的情况，通过第一端帽端面31的第一部分与收发端223熔接；对于有4个光纤端口的情况，通过第一端帽端面31的第一部分与收发端223和附加端224熔接。此外，端帽主体32、第一端帽端面31和第二端帽端面33还均包括端帽材料；其中，端帽材料的折射率与光纤端口的光纤折射率相匹配。

如图4所示，光纤端口22与第一端帽端面31的第一部分熔接，以降低端面反射噪声。这里光纤端口22为收发端223，或者，收发端223和附加端224，具体根据实际情况设置。此时，端面噪声消除器3的工作过程如下：由于光纤端口的光纤折射率与端帽材料的折射率精确匹配，根据菲涅尔反射公式，第一端帽端面31反射的光幅值可忽略不计；激光进入到端帽主体32后，从第二端帽端面33出射，由于第二端帽端面33镀有对应波段的增透膜层34，通常可降低端面的菲涅尔反射光至约-30 dB的水平；此外，通过第二端帽端面33进行抛光斜切，根据菲涅尔公式，同样会降低反射光幅值，这里降低水平取决于切割角度，例如通过典型的9°斜切可将菲涅尔反射光降至约-60 dB的水平；以及，少数光仍然可以被第二端帽端面33反射，通过端帽主体32的侧表面毛化处理，可以破坏全反射条件，将该部分光耗散到端面噪声消除器3之外；此时，端面反射噪声至少可以降低至-70 dB以下，从而通过上述端面噪声消除器3，可以减少光纤端面的菲涅尔反射噪声。

综上，通过上述同轴激光收发器，不仅可以实现激光共轴收发探测，还可以缓解光纤端面反射噪声较大的问题，提高了收发效率，具有较好的实用价值，可以在实际应用中推广实施。

在上述同轴激光收发器的基础上，本发明实施例还提供了一种同轴激光收发探测装置，如图5所示，该装置包括激光发射单元1、光学透镜单元4和光电探测单元5，以及包含光纤收发器件2和端面噪声消除器3的同轴激光收发器；其中，激光发射单元1、光纤收发器件2、端面噪声消除器3和光学透镜单元4依次设置，光电探测单元5与光纤收发器件2连接；在实际应用中，激光发射单元1用于控制和发射激光，其类型包括但不限于光纤激光器和半导体激光器等，发射的出激光类型可以是脉冲，也可以是连续波，具体可以根据实际情况进行设置。

其中，结合图3所示，对于同轴激光收发探测装置，如果分光单元21为环形器，光纤端口包括：发射端221、收发端223和接收端222；其中，分光单元21通过发射端221与激光发射单元1连接，通过收发端223与端面噪声消除器3连接，以及，通过接收端222与光电探测单元5连接；如果分光单元21为双包层光纤耦合器，光纤端口包括：发射端221、收发端223、接收端222和附加端224；其中，分光单元21通过发射端221与激光发射单元1连接，通过收发端223和附加端224与端面噪声消除器3连接，以及，通过接收端222与光电探测单元5连接。

在实际应用中，上述发射端221通过光纤熔接技术或空间耦合技术或者波导耦合技术等与激光发射单元1相连接，用于接收激光发射单元1发射的激光，并将激光传递到分光单元21；这里发射端221的光纤类型包括以下至少之一：单模光纤、多模光纤和双包层光纤；如可以为单模光纤或者多模光纤或者双包层光纤，也可以为单模光纤、多模光纤和双包层光纤组成的多种可能组合，具体可以根据实际情况进行设置。

上述收发端223则将激光输出光纤外，即将激光输出至端面噪声消除器3，以及在同一光轴上接收端面噪声消除器3发送的信号激光；其光纤类型为双包层光纤，这里双包层光纤的典型结构包括纤芯、内包层和外包层，在实际应用中，激光从纤芯出射，信号激光则在内包层中传递。以及，上述接收端222则用于将分光单元21传递的信号激光发送至光电探测单元5，以使光电探测单元5根据信号激光进行后续光电转换以及信号处理，这里接收端222的光纤类型为多模光纤，其光纤接头优选为APC接头。上述光电探测单元5则包括但不仅限于：雪崩光电二极管和PIN光电二极管等，且光电探测单元5具备能够与光纤耦合的封装方式。

此外，第二端帽端面33还设置在光学透镜单元4的焦面位置附近，以使激光近似准直出射。其中，光学透镜单元4还用于将激光发射到探测目标物上，并在同一光轴上接收从探测目标物上返回的信号激光。在实际应用中，光学透镜单元4的镜头类型包括但不限于球面透镜和非球面透镜，数量上则包括单个透镜，或者，多个透镜组成的透镜组合。

综上，对于同轴激光收发探测装置，具体过程如下：激光发射单元1发射的激光通过光纤收发器件2、第一端帽端面31和端帽主体32传输至第二端帽端面33，以使第二端帽端面33对激光进行端面反射噪声处理，得到处理后的激光，并通过光学透镜单元4将处理后的激光传输至探测目标物；以及，光学透镜单元4接收探测目标物反馈的信号激光，并通过端面噪声消除器3和光纤收发器件2将信号激光传输至光电探测单元5，以使光电探测单元5将信号激光转换成探测目标物的电信号。

在实际应用中，上述同轴激光收发探测装置具有以下优点：（1）对于端面反射噪声，可大幅降低光纤收发器件中存在的端面反射噪声，如上述可将噪声降至-70 dB以下，相对于现有方案，提高了端面噪声消除效果；（2）保证了较高的收发效率；由于收发效率主要取决于光纤收发器件的光学透过率，在光纤激光领域已经证明，该透过率接近于1，故本发明实施例提出的装置对于光纤收发器件本身的收发效率影响很小；（3）该装置具有结构紧凑和鲁棒性强的特点，便于在光电探测领域实际应用中推广实施。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种同轴激光收发器，其特征在于，包括光纤收发器件和端面噪声消除器；其中，所述端面噪声消除器包括端帽主体，以及设置在所述端帽主体两侧的第一端帽端面和第二端帽端面，所述第二端帽端面和部分第一端帽端面均设置有增透膜层；所述第一端帽端面还与所述光纤收发器件连接；

所述光纤收发器件，用于接收激光，并将所述激光发送至所述第一端帽端面；

所述第一端帽端面，用于将所述激光经所述端帽主体传输至所述第二端帽端面；

所述第二端帽端面，用于对所述激光进行端面反射噪声处理，得到处理后的所述激光；以及，接收处理后的所述激光经探测目标物反馈的信号激光，并将所述信号激光通过所述端帽主体和所述第一端帽端面传输至所述光纤收发器件；且，所述第二端帽端面为具有倾斜角度的端面；其中，所述倾斜角度不超过所述激光在所述第二端帽端面的全反射角。

2.根据权利要求1所述的同轴激光收发器，其特征在于，所述端帽主体的形状包括以下至少之一：圆柱体、柱体和椎体。

3.根据权利要求1所述的同轴激光收发器，其特征在于，所述光纤收发器件包括分光单元和光纤端口，所述分光单元通过所述光纤端口与所述端面噪声消除器连接；其中，所述分光单元包括以下之一：环形器和双包层光纤耦合器。

4.根据权利要求3所述的同轴激光收发器，其特征在于，所述端帽主体、所述第一端帽端面和所述第二端帽端面均包括端帽材料；其中，所述端帽材料的折射率与所述光纤端口的光纤折射率相匹配。

5.根据权利要求3所述的同轴激光收发器，其特征在于，如果所述分光单元为所述环形器，所述光纤端口包括：发射端、收发端和接收端；其中，所述分光单元通过所述收发端与所述端面噪声消除器连接。

6.根据权利要求3所述的同轴激光收发器，其特征在于，如果所述分光单元为所述双包层光纤耦合器，所述光纤端口包括：发射端、收发端、接收端和附加端；其中，所述分光单元通过所述收发端和所述附加端与所述端面噪声消除器连接。

7.根据权利要求5或6所述的同轴激光收发器，其特征在于，所述发射端的光纤类型包括以下至少之一：单模光纤、多模光纤和双包层光纤；所述收发端的光纤类型为所述双包层光纤；所述接收端的光纤类型为所述多模光纤。

8.一种同轴激光收发探测装置，其特征在于，所述装置包括上述权利要求1-7任一项所述的同轴激光收发器，以及激光发射单元、光学透镜单元和光电探测单元；其中，所述激光发射单元、所述同轴激光收发器和所述光学透镜单元依次设置，所述光电探测单元与所述同轴激光收发器连接；

所述激光发射单元，用于发射激光；

所述光学透镜单元，用于接收所述同轴激光收发器发送的处理后的所述激光，并将处理后的所述激光传输至探测目标物；以及，接收处理后的所述激光经探测目标物反馈的信号激光，并将所述信号激光发送至所述同轴激光收发器；

所述光电探测单元，用于接收所述同轴激光收发器发送的所述信号激光，并转换成电信号。

9.根据权利要求8所述的同轴激光收发探测装置，其特征在于，所述光学透镜单元包括单个透镜，或者，多个所述透镜组成的透镜组合。

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