CN114895281A - 一种本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法及装置，其特征在于：雷达平台中，激光光源发射偏振光束，使用偏振分束器将偏振光束在第一方向上定向发射到目标，目标返回的光束作为目标返回信号经过偏振分束器进入偏振波片，再由反射器反射回偏振分束器；将偏振光束在第二方向的光束作为本征信号；将目标返回信号和本征信号在光电探测器处接收并混合以生成目标信息。本发明获得的目标信号具有高信噪比，并且本发明消除了将上述组件集成到光子学芯片中的困难，可以提高光学相干耦合效率，可以实现调频连续波激光雷达的光子芯片化，显著减少所述激光雷达的组件数量，减小体积和重量，降低成本。

Description

一种本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法及装置
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法及装置。
背景技术
快速扫描镜和脉冲或频率扫描光源是大多数传统激光雷达系统中用于探测目标环境的主要组件。一个反射镜通常沿X方向(方位角)快速扫描，而另一个反射镜沿Y方向(俯仰角)缓慢扫描。发射的光和目标反射的光通常通过光子集成电路或单模光纤中的一个或多个单模波导达成共轴。从被探测的目标收集的光具有用于提取距离信息的测量延迟，以及可用于提取速度信息的频移。当逐点探测的距离信息与扫描镜的角度位置数据相结合时，可以建立三维点云。为了获得更高的帧速率，可以提高扫描镜的角速度，尤其是扫描器在更快扫描方向上的角速度。当使用具有高角速度的反射镜和基于光纤的检测时，来自远处物体的目标信号会削弱。主要的信号削弱就是角度精度损失，其原因是，在光信号往返远程目标的时间内，扫描镜的角度位置发生变化，这种误差通常被称为“扫描缺陷”。次要的信号削弱是由光学像差引起的，这种像差会扭曲/扩散返回光束，降低波导小孔或光纤尖端的耦合效率。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法及装置。本发明获得的目标信号具有高信噪比，并且本发明的可以减少激光雷达的组件要求，降低了成本。
本发明的技术方案：一种本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法，雷达平台中，激光光源发射偏振光束，使用偏振分束器将偏振光束在第一方向上定向发射到目标，目标返回的光束作为目标返回信号经过偏振分束器进入偏振波片，再由反射器反射回偏振分束器；将偏振光束在第二方向的光束作为本征信号；将目标返回信号和本征信号在光电探测器处接收并混合以生成目标信息。
上述的本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法，所述激光光源发射具有p偏振的光束，光束经过偏振分束器，以偏振分束器的透射方向作为第一方向定向发射至目标，目标返回的光束经过起偏器后得到具有s偏振的目标返回光束，目标返回光束再经过偏振分束器后进入偏振波片，经过偏振波片后再经过反射器反射回偏振分束器；以偏振分束器的反射方向作为第二方向，具有p偏振且在第二方向光束作为本征信号，本振信号与目标返回信号在光电探测器处接收并混合以生成目标信息。
前述的本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法，所述激光光源发射具有s偏振的光束，光束经过偏振分束器，以偏振分束器的反射方向作为第一方向定向发射至目标，目标返回的光束经过起偏器后得到具有p偏振的目标返回光束，目标返回光束经过偏振分束器后再进入偏振波片，经过偏振波片后再经过反射器反射回偏振分束器，目标返回信号经过反射器再反射回偏振分束器；以偏振分束器的透射方向作为第二方向，具有s偏振且在第二方向光束作为本征信号，本振信号与目标返回信号在光电探测器处接收并混合以生成目标信息。
前述的本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法，所述本振信号与目标返回信号一同进入线偏振片后再进入光波解复用器，光波解复用器连接有两路光电探测器，由两路光电探测器分别对本振信号与目标返回信号进行混合形成目标信息。
实现前述的本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法的装置，包括具有激光光源的激光雷达集成光路，激光雷达集成光路连接有偏振分束器，偏振分束器连接有偏振波波片和反射器；以偏振分束器的透射方向作为第一方向，以偏振分束器的反射方向作为第二方向，所述偏振分束器沿第一方向依次连接有第一透镜系统、起偏器和扫描器，所述偏振分束器沿第二方向依次连接有线偏振片和光波解复用器；所述光波解复用器经两路第二透镜系统分别连接有光电探测器。
实现前述的本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法的装置，包括具有激光光源的激光雷达集成光路，激光雷达集成光路连接有偏振分束器，偏振分束器连接有偏振波波片和反射器；以偏振分束器的反射方向作为第一方向，以偏振分束器的透射方向作为第二方向，所述偏振分束器沿第一方向依次连接有第一透镜系统、起偏器和扫描器，所述偏振分束器沿第二方向依次连接有线偏振片和光波解复用器；所述光波解复用器经两路第二透镜系统分别连接有光电探测器。
与现有技术相比，本发明的激光光源可以是相干或非相干光源，也可以是单光束或多光束光源，适用性强。本发明通过在自由空间中混合本征信号和目标返回信号，以此形成目标信号提供给光电探测器。在本发明中，对于目标信号与本征信号相干形成目标信号，与传统的集成片上激光雷达设计相比，可以为目标信号提供较大的活动表面积，除了放宽对准要求外，大的有效表面积还补偿了快速扫描激光雷达系统中常见的滞后角和光束像差随时间变化的有害影响。此外，本发明的装置可以用激光雷达集成光路或分立元件实现，本发明的装置提高了目标返回信号的收集效率，并通过使用大口径光学器件和光电探测器，产生了比传统集成设计更高的信噪比(SNR)。本发明的装置消除了将上述组件集成到光子学芯片中的困难，可以提高光学相干耦合效率，并可以实现调频连续波激光雷达的光子芯片化，显著减少所述激光雷达的组件数量，减小体积和重量，降低成本。
附图说明
图1是本发明实施例1中原理示意图
图2是本发明实施例1中装置的结构示意图；
图3是本发明实施例2中示意图；
图4是本发明实施例2中装置的结构示意图。
附图标记
1、激光雷达集成光路；2、偏振分束器；3、偏振波波片；4、反射器；5、第一透镜系统；6、起偏器；7、扫描器；8、线偏振片；9、光波解复用器；10、第二透镜系统；11、光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1：一种本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法，如图1所示，雷达平台中，激光光源发射偏振光束，使用偏振分束器将偏振光束在第一方向上定向发射到目标，目标返回的光束作为目标返回信号经过偏振分束器进入偏振波片，再由反射器反射回偏振分束器；将偏振光束在第二方向的光束作为本征信号；将目标返回信号和本征信号在光电探测器处接收并混合以生成目标信息；
实现该方法的装置，如图2所示，包括具有激光光源的激光雷达集成光路1，激光雷达集成光路1连接有偏振分束器2，偏振分束器2连接有偏振波波片3和反射器4；以偏振分束器2的透射方向作为第一方向，以偏振分束器2的反射方向作为第二方向，所述偏振分束器2沿第一方向依次连接有第一透镜系统5、起偏器6和扫描器7，所述偏振分束器2沿第二方向依次连接有线偏振片8和光波解复用器9；所述光波解复用器9经两路第二透镜系统10分别连接有光电探测器11。
本实施例以图2进行说明，激光光源发射具有p偏振的光束，光束经过偏振分束器，以偏振分束器的透射方向作为第一方向，先经过第一透射系统，在经过起偏器起偏形成顺时针圆偏振光，再由扫描器定向发射至目标，目标返回的逆时针光束由扫描器获取，再返回起偏器后得到具有s偏振的目标返回光束，目标返回光束经过偏振分束器后进入偏振波片，经过偏振波片得到顺时针圆偏振光，顺时针圆偏振光经过反射器反射得到逆时针圆偏振光，逆时针圆偏振光回偏振分束器后得p偏振的目标回波信号；以偏振分束器的反射方向作为第二方向，具有p偏振且在第二方向光束作为本征信号，本振信号与目标返回信号一同进入线偏振片后再进入光波解复用器，光波解复用器经过第二透镜系统连接有两路光电探测器，由两路光电探测器分别对本振信号与目标返回信号进行混合形成目标信息。
实施例2：一种本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法，如图3所示，雷达平台中，激光光源发射偏振光束，使用偏振分束器将偏振光束在第一方向上定向发射到目标，目标返回的光束作为目标返回信号经过偏振分束器进入偏振波片，再由反射器反射回偏振分束器；将偏振光束在第二方向的光束作为本征信号；将目标返回信号和本征信号在光电探测器处接收并混合以生成目标信息；
实现该方法的装置，如图4所示，包括具有激光光源的激光雷达集成光路1，激光雷达集成光路1连接有偏振分束器2，偏振分束器2连接有偏振波波片3和反射器4；以偏振分束器2的反射方向作为第一方向，以偏振分束器2的透射方向作为第二方向，所述偏振分束器2沿第一方向依次连接有第一透镜系统5、起偏器6和扫描器7，所述偏振分束器2沿第二方向依次连接有线偏振片8和光波解复用器9；所述光波解复用器9经两路第二透镜系统10分别连接有光电探测器11。
本实施例以图4进行说明，激光光源发射具有s偏振的光束，光束经过偏振分束器，以偏振分束器的反射方向作为第一方向，先经过透射系统，在经过起偏器起偏形成顺时针圆偏振光，再由扫描器定向发射至目标，目标返回的逆时针圆偏振光由扫描器获取，再返回起偏器后得到具有p偏振的目标返回光束，目标返回光束经过偏振分束器后进入偏振波片，经过偏振波片得到顺时针圆偏振光，顺时针圆偏振光经过反射器反射得到逆时针圆偏振光，逆时针圆偏振光回偏振分束器后得s偏振的目标回波信号；以偏振分束器的反射方向作为第二方向，具有s偏振且在第二方向光束作为本征信号，本振信号与目标返回信号一同进入线偏振片后再进入光波解复用器，光波解复用器经过第二透镜系统连接有两路光电探测器，由两路光电探测器分别对本振信号与目标返回信号进行混合形成目标信息。
在上述两实施例中，本发明的激光光源可以是相干或非相干光源，也可以是单光束或多光束光源，适用性强。本发明通过在自由空间中混合本征信号和目标返回信号，以此形成目标信号提供给光电探测器。在本发明中，对于目标信号与本征信号相干形成目标信号，与传统的集成片上激光雷达设计相比，可以为目标信号提供较大的活动表面积，除了放宽对准要求外，大的有效表面积还补偿了快速扫描激光雷达系统中常见的滞后角和光束像差随时间变化的有害影响。此外，本发明的装置可以用激光雷达集成光路或分立元件实现，本发明的装置提高了目标返回信号的收集效率，并通过使用大口径光学器件和光电探测器，产生了比传统集成设计更高的信噪比(SNR)。本发明的装置消除了将上述组件集成到光子学芯片中的困难，可以提高光学相干耦合效率，并可以实现调频连续波激光雷达的光子芯片化，显著减少所述激光雷达的组件数量，减小体积和重量，降低成本。

Claims (6)

1.一种本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法，其特征在于：雷达平台中，激光光源发射偏振光束，使用偏振分束器将偏振光束在第一方向上定向发射到目标，目标返回的光束作为目标返回信号经过偏振分束器进入偏振波片，再由反射器反射回偏振分束器；将偏振光束在第二方向的光束作为本征信号；将目标返回信号和本征信号在光电探测器处接收并混合以生成目标信息。
2.根据权利要求1所述的本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法，其特征在于：所述激光光源发射具有p偏振的光束，光束经过偏振分束器，以偏振分束器的透射方向作为第一方向定向发射至目标，目标返回的光束经过起偏器后得到具有s偏振的目标返回光束，目标返回光束再经过偏振分束器后进入偏振波片，经过偏振波片后再经过反射器反射回偏振分束器；以偏振分束器的反射方向作为第二方向，具有p偏振且在第二方向光束作为本征信号，本振信号与目标返回信号在光电探测器处接收并混合以生成目标信息。
3.根据权利要求1所述的本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法，其特征在于：所述激光光源发射具有s偏振的光束，光束经过偏振分束器，以偏振分束器的反射方向作为第一方向定向发射至目标，目标返回的光束经过起偏器后得到具有p偏振的目标返回光束，目标返回光束经过偏振分束器后再进入偏振波片，经过偏振波片后再经过反射器反射回偏振分束器经过反射器再反射回偏振分束器；以偏振分束器的透射方向作为第二方向，具有s偏振且在第二方向光束作为本征信号，本振信号与目标返回信号在光电探测器处接收并混合以生成目标信息。
4.根据权利要求2或3所述的本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法，其特征在于：所述本振信号与目标返回信号一同进入线偏振片后再进入光波解复用器，光波解复用器连接有两路光电探测器，由两路光电探测器分别对本振信号与目标返回信号进行混合形成目标信息。
5.实现权利要求1或2所述的本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法的装置，其特征在于：包括具有激光光源的激光雷达集成光路(1)，激光雷达集成光路(1)连接有偏振分束器(2)，偏振分束器(2)连接有偏振波波片(3)和反射器(4)；以偏振分束器(2)的透射方向作为第一方向，以偏振分束器(2)的反射方向作为第二方向，所述偏振分束器(2)沿第一方向依次连接有第一透镜系统(5)、起偏器(6)和扫描器(7)，所述偏振分束器(2)沿第二方向依次连接有线偏振片(8)和光波解复用器(9)；所述光波解复用器(9)经两路第二透镜系统(10)分别连接有光电探测器(11)。
6.实现权利要求1或3所述的本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法的装置，其特征在于：包括具有激光光源的激光雷达集成光路(1)，激光雷达集成光路(1)连接有偏振分束器(2)，偏振分束器(2)连接有偏振波波片(3)和反射器(4)；以偏振分束器(2)的反射方向作为第一方向，以偏振分束器(2)的透射方向作为第二方向，所述偏振分束器(2)沿第一方向依次连接有第一透镜系统(5)、起偏器(6)和扫描器(7)，所述偏振分束器(2)沿第二方向依次连接有线偏振片(8)和光波解复用器(9)；所述光波解复用器(9)经两路第二透镜系统(10)分别连接有光电探测器(11)。
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