CN114994709A - 一种基于双偏振干涉的相干激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双偏振干涉的相干激光雷达，属于激光雷达大气遥感技术领域，通过扰模器将激光器出射的线偏振光转换为非线偏振光，从而提高光纤受激布里渊散射的阈值功率，克服受激布里渊阈值功率对相干激光雷达出射功率的限制，提高激光雷达的发射功率和信噪比；通过采用非偏振光源，克服了测风激光雷达对光纤激光器偏振态的严苛要求和限制，从而显著降低测风激光雷达的成本；通过采用双偏振接收探测机制，将本振光与信号光中的双偏振态分别相干输出，同时探测信号光中不同偏振态的拍频信号光功率被完全利用，从而有效利用大气回波信号的所有偏振态的信号，且抵消了一大部分噪声，有效提高激光雷达的信噪比。

Description

一种基于双偏振干涉的相干激光雷达
技术领域
本发明属于激光雷达大气遥感技术领域，具体涉及一种基于双偏振干涉的相干激光雷达。
背景技术
由于相干激光雷达的目标为大气粒子，通过测量经过与大气粒子作用后的后向散射信号来测量大气粒子携带的信息，因此，测风激光雷达属于软目标探测，与硬目标探测不同的是：大气探测为弱信号检测，大气粒子的后向散射信号非常微弱，为了提取出微弱的回波信号，提高信噪比，出射激光的功率要足够大，但是，随着光纤激光技术的发展，光纤在激光雷达中的使用越来越普遍。在采用光纤器件的激光雷达中，当光功率超过光纤中受激布里渊散射的阈值时，会激发强烈的受激布里渊散射，降低激光功率，严重时还会损坏激光雷达。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于双偏振干涉的相干激光雷达，解决了现有技术中当光功率超过光纤中受激布里渊散射的阈值时，会激发强烈的受激布里渊散射，降低激光功率的技术问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种基于双偏振干涉的相干激光雷达，包括连续光激光器、第一分束器、声光调制器、扰模器、光纤放大器、光学收发模块、双偏振相干模块、第一平衡探测器、第二平衡探测器和数据采集处理模块；所述连续光激光器用于输出连续的线偏振激光，所述连续光激光器的输出端经保偏光纤与第一分束器的输入端连接，并且将输出的连续的线偏振激光发送至第一分束器；
所述第一分束器用于将所述连续光激光器输出的连续的线偏振激光分为两路，一路作为本振光通过保偏光纤输出到双偏振相干模块，另一路作为信号光通过保偏光纤输出到声光调制器；
所述声光调制器用于将输入的连续激光调制为线偏振脉冲光并改变输入的连续激光的频率；声光调制器的输出端经保偏光纤与扰模器连接，将线偏振脉冲光输出至扰模器中；
扰模器用于将输入的线偏振脉冲光转化为非线偏振光，扰模器的输出端与光纤放大器的输入端通过单模光纤连接，将非线偏振光输出给光纤放大器；
所述光纤放大器用于放大非线偏振光为激光，光纤放大器的输出端与光学收发模块的输入端通过单模光纤连接，将激光输出给光学收发模块；
光学收发模块用于将输入的激光发射到目标物，并接收从目标物返回的回波信号作为信号光；光学收发模块输出的信号光通过单模光纤输入到双偏振相干模块；
所述双偏振相干模块用于将本振光与信号光中的双偏振光分别干涉，输出四路相干光信号，所述双偏振相干模块的输出端分别与第一平衡探测器的输入端、第二平衡探测器的输入端相连接；
第一平衡探测器用于对双偏振相干模块输出的其中两路相干光信号进行平衡探测，其中一路包括本振光，并且将平衡探测后的光信号发送至数据采集处理模块；
第二平衡探测器用于对双偏振相干模块输出的另外两路相干光信号进行平衡探测，其中一路包括本振光，并且将平衡探测后的光信号发送至数据采集处理模块；
数据采集处理模块用于对第一平衡探测器和第二平衡探测器输出的光信号进行分析处理。
优选地，所述双偏振相干模块包括第二分束器和光纤偏振分束器，所述第二分束器用于将输入的本振光分为两路，分别输出到第一平衡探测器和第二平衡探测器；所述光纤偏振分束器用于将输入的信号光分为S偏振光和P偏振光输出。
优选地，所述双偏振相干模块包括偏振态转换机构，用于将光纤偏振分束器输出的S偏振光和P偏振光中，与本振光偏振态不同的一路转换为与本振光偏振态相同。
优选地，所述双偏振相干模块还包括若干个保偏光纤，所述光纤偏振分束器将S偏振光和P偏振光分别通过保偏光纤输出；所述偏振态转换机构通过调整保偏光纤的位置来改变偏振态。
优选地，所述双偏振相干模块还包括若干个保偏光纤，所述第二分束器将输入的本振光分为两路，分别通过保偏光纤输出到第一平衡探测器和第二平衡探测器。
优选地，所述双偏振相干模块包括90度光混频器，所述90度光混频器包括：本振光输入端、信号光输入端、第一分光片、第二分光片、第三分光片、第一1/2玻片、第二1/2玻片、第一1/4玻片、第二1/4玻片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第四偏振分束器、第五偏振分束器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜、第十反射镜；
本振光输入端输入的本振光经第一分光片分为上下两路本振光；
上路本振光依次经过第一反射镜、第一1/2玻片、第二反射镜后，经第二分光片分为两个上本振支路，一个上本振支路经第二偏振分束器后分别从第一通道和第三通道输出，另一上本振支路经第三反射镜和第三偏振分束器后分别从第二通道和第四通道输出；
下路本振光依次经第四反射镜、第五反射镜、第二1/2玻片、第六反射镜后，经第三分光片分为两个下本振支路，一个下本振支路经第四偏振分束器后分别从第五通道和第七通道输出，另一下本振支路经第七反射镜和第五偏振分束器后分别从第六通道和第八通道输出；
信号光输入端输入的信号光经第一偏振分束器分为S1、S2两路信号光；
S1路信号光依次经第八反射镜、第九反射镜、第一1/4玻片后，经第二分光片分为两个S1信号支路，一个S1信号支路经第二偏振分束器后分别从第一通道和第三通道输出，另一个S1信号支路经第三反射镜和第三偏振分束器后分别从第二通道和第四通道输出；
S2路信号光依次经第十反射镜、第二1/4玻片后，经第三分光片分为两个S2信号支路，一个S2信号支路经第四偏振分束器后分别从第五通道和第七通道输出，另一S2信号支路经第七反射镜和第五偏振分束器后分别从第六通道和第八通道输出；
其中，第一通道、第二通道、第五通道、第六通道的偏振态相同；第三通道、第四通道、第七通道、第八通道的偏振态相同。
优选地，所述90度光混频器用于将第一通道和第二通道的信号相干后作为I1支路输出，将第三通道和第四通道的信号相干作为Q1支路输出，将第五通道和第六通道的信号相干后作为I2支路输出，将第七通道和第八通道的信号相干后作为Q2支路输出。
优选地，所述I1支路和I2支路输入第一平衡探测器；所述Q1支路和Q2支路输出第二平衡探测器。
优选地，所述数据采集处理模块包括第一FFT单元、第二FFT单元和功率谱叠加单元；
所述第一FFT单元用于对第一平衡探测器输出的信号进行快速傅里叶变换；
所述第二FFT单元用于对第二平衡探测器输出的信号进行快速傅里叶变换；
所述功率谱叠加单元用于将第一FFT单元和第二FFT单元经过傅里叶变化后的信号在功率谱上叠加，得到叠加信号。
优选地，所述数据采集处理模块还包括多普勒频移获取单元，所述多普勒频移获取单元用于根据功率谱叠加单元得到的叠加信号提取多普勒频移信息。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种基于双偏振干涉的相干激光雷达，通过扰模器将激光器出射的线偏振光转换为非线偏振光，从而将光纤受激布里渊散射的阈值功率提高至少一倍，克服受激布里渊阈值功率对相干激光雷达出射功率的限制，提高激光雷达的发射功率，提高信噪比；单偏振态的光纤激光器工艺复杂，加工制造难度很高，成本高昂；本发明采用非偏振光源，克服了测风激光雷达对光纤激光器偏振态的严苛要求和限制，从而显著降低测风激光雷达的成本；本发明通过采用双偏振接收探测机制，将本振光与信号光中的双偏振态分别相干输出，采用第一平衡探测器和第二平衡探测器同时探测信号光中不同偏振态的拍频信号，并在功率谱上叠加，信号光功率被完全利用，从而有效利用大气回波信号的所有偏振态的信号，且抵消了一大部分噪声，有效提高激光雷达的信噪比；同时，双偏振相干模块响应速度快，双偏振态同时相干，同时进行光电转换，没有时间延迟，测量实时性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，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基于双偏振干涉的相干激光雷达的结构框图；
图2为现有技术中相干激光雷达的结构图；
图3为本发明实施例提供的受激布里渊散射的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于双偏振干涉的相干激光雷达的另一结构框图；
图5为本发明实施例提供的一种基于双偏振干涉的相干激光雷达的90度光混频器的结构框图。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-5所示，一种基于双偏振干涉的相干激光雷达，图2为现有技术中相干激光雷达的结构图，需要进一步进行说明的是，在具体实施方式中，首先对布里渊散射进行详细说明。布里渊散射是介质的非线性引起的效应，尤其是与声学声子相关的非线性部分。入射的声子能够转化为一个具有更低能量的散射声子，通常是背向传播，还有另一个声子。光场与声波通过电致伸缩发生相互耦合。即使在很低的光功率情况下，这一效应也会发生，然后反射产生声子场。光功率更高时，会发生受激效应，这时主要由光场产生声子。当介质中的光束超过某一临界功率时，受激布里渊散射会反射大部分入射的光功率。这时背向反射波得到很强的非线性光学增益：即初始非常弱的相反方向传播的光在某一光纤频率时会被放大很多倍。两个相反方向的波会形成一个移动的折射率光栅；反射功率越大，折射率光栅越强，有效反射率越大。
反射光的频率略小于入射光的频率，频率差
Figure 667568DEST_PATH_IMAGE001
B等于辐射声子的频率。该频率差称为布里渊频移，由相位匹配条件决定。只存在背向布里渊散射时，布里渊频移可以通过折射率n，声学速度va，以及入射光的真空波长λ计算得到：
Figure 319130DEST_PATH_IMAGE002
(1)
由于纤芯中声波的指数衰减，布里渊增益谱
Figure 833288DEST_PATH_IMAGE003
具有洛伦兹线型：
Figure 962918DEST_PATH_IMAGE004
(2)
其中，w B为半高全宽FWHM。布里渊增益谱的峰值在布里渊频移v B处，峰值由布里渊增益系数给出：
Figure 636344DEST_PATH_IMAGE005
(3)
其中，p 12是纵向弹性光学系数，
Figure 193228DEST_PATH_IMAGE006
是密度，
Figure 194682DEST_PATH_IMAGE007
是泵浦波长，c是真空中的光速。在有限的动态范围中，v B和w B可表示为压力
Figure 987057DEST_PATH_IMAGE008
和温度T的线性函数如下：
Figure 390357DEST_PATH_IMAGE009
(4)
Figure 118141DEST_PATH_IMAGE010
(5)
窄带光学信号（例如，单频激光器产生的）在光纤放大器中被放大或者在无源光纤中传播时常产生受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering，简称SBS）。受激布里渊散射是光纤中一种常见的非线性现象。
受激布里渊散射的产生过程是：在激光的电场作用下，通过电致伸缩效应，使介质发生周期性密度和介电常数的变化，感生声波场，而导致入射光与声波场间发生相干散射过程。
一旦输入的信号光功率达到或超过受激布里渊散射的阈值，将会发生很强的受激布里渊散射。受激布里渊散射会把绝大部分输入功率转换为反向斯托克斯波，反向斯托克斯波会消耗传输中的激光能量，造成正向传输的激光功率的显著损失，并会造成透射信号抖动，如图3所示。图3中，上面的虚线为理想情况下透射的泵浦功率，下面的实线为发生受激布里渊散射后的透射泵浦功率，很明显，受激布里渊散射导致透射的泵浦功率急剧下降。更为严重的是，强烈的反向斯托克斯波还可能会损害激光器和其他器件，对整个激光雷达系统造成危害。因此，在含有光纤器件的激光雷达系统中，受激布里渊散射对发散功率造成很大的限制。
受激布里渊散射的阈值光功率P th 为：
Figure 606891DEST_PATH_IMAGE011
(6)
其中，gB为布里渊增益系数，Ae为有效光纤纤芯截面积、Le为光纤有效作用长度；
Figure 202958DEST_PATH_IMAGE012
为光源线宽，
Figure 460764DEST_PATH_IMAGE013
为SBS带宽，K为偏振因子
Figure 625029DEST_PATH_IMAGE014
，在保偏光纤中，若抽运光和斯托克斯光沿相同方向偏振，则K=1；在常规单模光纤中，抽运光和斯托克斯光之间的相对偏振角随机变化，则K=2。非保偏出射较之于保偏出射，受激布里渊散射的阈值功率增大一倍。
对线宽极窄的入射光，有：
Figure 601075DEST_PATH_IMAGE015
(7)
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于双偏振干涉的相干激光雷达，目的之一在于克服受激布里渊散射对激光雷达出射功率的限制，提高出射激光功率，提高信噪比。本发明包括：连续光激光器100、第一分束器101、声光调制器200、扰模器300、光纤放大器400、光学收发模块500、双偏振相干模块600、第一平衡探测器710、第二平衡探测器720、数据采集处理模块800；其中：
所述连续光激光器100（简称CW激光器）用于输出连续的线偏振激光；所述连续光激光器的输出端经保偏光纤与第一分束器101的输入端连接。连续光激光器100也称为种子激光器。线偏振光有两种偏振态：S偏振态和P偏振态。因此，线偏振光也分为两种：S偏振光和P偏振光。其中，连续光激光器100输出的激光一般为P偏振光。
S偏振光和P偏振光是指：当光线以非垂直角度穿透光学元件（如分光镜）的表面时，反射和透射特性均依赖于偏振现象。这种情况下，使用的坐标系是用含有入射和反射光束的那个平面定义的。如果光线的偏振矢量在这个平面内，则称为p偏振光，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为s偏振光。任何一种入射偏振状态都可以表示为s和p分量的矢量和。
所述第一分束器101用于将所述连续光激光器100输出的激光载波信号分为两路，一路作为本振光通过保偏光纤输出到双偏振相干模块600，另一路作为探测光通过保偏光纤输出到声光调制器200。第一分束器101包括一个输入端两个输出端，用于将输入信号分两路输出；优选为两路1:1均分输出。第一分束器101优选为光纤分束器。第一分束器101的一个输出端通过保偏光纤与双偏振相干模块600的本振光输入端601连接，第一分束器101的另一输出端通过保偏光纤与声光调制器200的输入端连接。
声光调制器200用于将输入的连续激光调制为脉冲光并改变输入的连接激光的频率；声光调制器200的输出端经保偏光纤与扰模器300连接。
扰模器300（Mode Scrambler）用于将输入的线偏振光转化为非线偏振光。扰模器300的输出端与光纤放大器400的输入端通过单模光纤连接。
单模光纤(SingleModeFiber)纤芯直径一般是8~10 μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。单模光纤只能传输一个模式（两个偏振态简并），优点为信号畸变很小。
光纤放大器400的输出端与光学收发模块500的输入端通过单模光纤连接。
在一个场景中，连续光纤放大器400输出的激光为1.5微米波段，光纤放大器400优选为掺铒光纤放大器400EDFA。经过扰模器300后，线偏振光已经转换为非线偏振光，通过单模光纤传输。公式（6）中，在常规单模光纤中，抽运光和斯托克斯光之间的相对偏振角随机变化，偏振因子K=2；而在保偏光纤中，K=1，可见，非保偏出射较之于保偏出射，受激布里渊散射的阈值功率增大一倍。
由于受激布里渊散射阈值高功率提高，经光纤放大器400进一步放大后，出射激光的功率较之于线偏振光出射进一步提高。
光学收发模块500用于将输入的激光发射到目标物，并接收从目标物返回的回波信号作为信号光。光学收发模块500输出的信号光通过单模光纤输入到双偏振相干模块600。光学收发模块500的输出端通过单模光纤与双偏振相干模块600的信号光输入端连接。
所述双偏振相干模块600用于实现本振光与信号光中的双偏振光分别干涉，输出四路相干光信号。
第一分束器101的一个输出端通过保偏光纤与双偏振相干模块600的本振光输入端601连接，第一分束器101的另一输出端通过保偏光纤与声光调制器200的输入端连接。
所述双偏振相干模块600包括本振光输入端601和信号光输入端，本振光输入端601用于输入连续光激光器100出射的本振光；信号光输入端用于输入光学收发模块500接收到的大气回波信号作为信号光。
所述双偏振相干模块600用于实现本振光与信号光中的双偏振光分别干涉，输出四路相干光信号。
第一平衡探测器710用于对双偏振相干模块600输出的其中两路相干光信号进行平衡探测，其中一路包括本振光。
第二平衡探测器720用于对双偏振相干模块600输出的另外两路相干光信号进行平衡探测，其中一路包括本振光。
数据采集处理模块800用于对第一平衡光电探测器和第二平衡探测器720输出的信号分析处理。
本发明的工作过程如下：
参照图1进行说明，图1中，光路上两个平行的竖线代表P偏振光，两个圆点代表S偏振光。以本振光P偏振光为例进行说明。 连续光激光器100输出线偏振激光，即P偏振光。该激光经第一分束器101分为两路，一路作为本振光输入到双偏振相干模块600。另一路作为探测光经声光调制器200AOM调制成频移80MHz的脉冲光后，经扰模器300转换为非线偏振光。非线偏振光经单模光纤传输，经光纤放大器400进行能量放大后输入光学收发模块500发射至大气中。出射激光与大气作用后，后向散射信号由光学收发模块500接收，并作为信号光输入到双偏振相干模块600。
一般来说，本振光为P偏振光；信号光包含P偏振光和S偏振光，两种偏振光的比例与大气成分相关。本振光和信号光经双偏振相干模块600后输出四路相干光信号。
第一平衡探测器710对其中两路相干光信号进行平衡探测；第二平衡探测器720对另外两路相干信号平衡探测。
数据采集处理模块800对第一平衡光电探测器和第二平衡探测器720输出的信号分析处理，得到大气目标的多普勒频移信息，进而反演得到大气风速。
所述数据采集处理模块800包括第一FFT单元、第二FFT单元和功率谱叠加单元；
所述第一FFT单元用于对第一平衡探测器710输出的信号进行快速傅里叶变换；
所述第二FFT单元用于对第二平衡探测器720输出的信号进行快速傅里叶变换；
所述功率谱叠加单元用于将第一FFT单元和第二FFT单元输出的信号在功率谱上叠加。
进一步的，所述数据采集处理模块800还包括多普勒频移获取单元，散射多普勒频移获取单元用于根据功率谱叠加单元得到的信号提取多普勒频移信息。
如图4所示，在一个实施例中，所述双偏振相干模块600包括第二分束器61和光纤偏振分束器62，所述第二分束器61用于将输入的本振光分为两路，分别通过保偏光纤输出到第一平衡探测器710和第二平衡探测器720；所述光纤偏振分束器62用于将输入的信号光分为S偏振光和P偏振光分别通过保偏光纤输出。
还包括偏振态转换机构63，用于将光纤偏振分束器62输出的两路光中，与本振光偏振态不同的一路转换为与本振光偏振态相同。
还包括若干个保偏光纤，所述光纤偏振分束器62用于将输入的信号光分为S偏振光和P偏振光后，分别通过保偏光纤输出；所述偏振态转换机构63通过调整保偏光纤的位置来改变偏振态。
还包括若干个保偏光纤，所述第二分束器61用于将输入的本振光分为两路，分别通过保偏光纤输出到第一平衡探测器710和第二平衡探测器720。
若本振光为P偏振光；本振光经第二分束器61后分为两路，第二分束器61优选1：1分束。信号光包含P偏振光和S偏振光，信号光经光纤偏振分束器62后分为两路，一路为P偏振光，一路为S偏振光；其中，P偏振光与第二分束器61输出的一路本振光输入到第一平衡探测器710进行平衡探测。光纤偏振分束器62输出的S偏振光经偏振态转换机构63转换为P偏振光后于第二分束器61输出的另一路本振光进行平衡探测。偏振态转换机构63可以是一个实体的机构，也可以是光纤端口安装位置的转换。某些具体的光纤器件中，光纤端口不同安装角度对应不同偏振态，通过调整安装角度可以实现偏振态的调整。在保偏光纤中，通过调整保偏光纤的快轴对准和慢轴对准来改变偏振态。
保偏光纤，是一种特殊类型的单模光纤。普通的单模光纤能够传输随机偏振光，而保偏光纤只能传输一种方向上的偏振光。在保偏光纤中，传播到光纤中的线性偏振光波的偏振在传播过程中得以保持，偏振面之间光功率的交叉耦合很小或没有。对于某些需要偏振光输入的光纤组件（例如外部调制器），这种偏振方向保持功能极为重要。
保偏光纤有很多种，保偏光纤的截面处包括中心芯径和猫眼，猫眼位于与中心轴线上，且相对中心对称。
猫眼的连接轴线方向和键槽垂直，为慢轴对准；反之为快轴对准。快轴对准和慢轴对准分别对应不同的偏振态。
具体的，通过在光纤材料本身中产生应力，即可以保持光波延特定方向产生偏振的这一特性，因此出现了熊猫型保偏光纤。
熊猫型保偏光纤中，包括两个与芯径平行且对称的应力棒。应力棒在光纤中产生应力，有利于光仅延一个方向偏振传播。当保偏光纤通过光纤连接器端接时，应力棒应该与连接器Key键对齐。采用双偏振接收探测机制，能够将本振光与信号光中的双偏振态分别相干输出，采用第一平衡探测器710和第二平衡探测器720同时探测信号光中不同偏振态的拍频信号，并在功率谱上叠加，信号光功率被完全利用，从而有效利用大气回波信号的所有偏振态的信号，且抵消了一大部分噪声，有效提高激光雷达的信噪比；同时，双偏振相干模块600响应速度快，双偏振态同时相干，同时进行光电转换，没有时间延迟，测量实时性好。
在另一个实施例中，所述双偏振相干模块600包括90度光混频器。图5为本实施例的90度光混频器的结构框图。所述90度光混频器包括：本振光输入端601、信号光输入端602、第一分光片621、第二分光片622、第三分光片623、第一1/2玻片631、第二1/2玻片632、第一1/4玻片641、第二1/4玻片642、第一偏振分束器611、第二偏振分束器612、第三偏振分束器613、第四偏振分束器614、第五偏振分束器615、第一反射镜651、第二反射镜652、第三反射镜653、第四反射镜654、第五反射镜655、第六反射镜656、第七反射镜657、第八反射镜658、第九反射镜659、第十反射镜650；
本振光输入端601输入的信号经第一分光片621分为上下两路本振光；
上路本振光依次经过第一反射镜651、第一1/2玻片631、第二反射镜652后，经第二分光片622分为两个上本振支路，一个上本振支路经第二偏振分束器612后分别从第一通道和第三通道输出，另一上本振支路经第三反射镜653和第三偏振分束器613后分别从第二通道和第四通道输出；
下路本振光依次经第四反射镜654、第五反射镜655、第二1/2玻片632、第六反射镜656后，经第三分光片623分为两个下本振支路，一个下本振支路经第四偏振分束器614后分别从第五通道和第七通道输出，另一下本振支路经第七反射镜657和第五偏振分束器615后分别从第六通道和第八通道输出；
信号光输入端602输入的信号经第一偏振分束器611分为S1、S2两路信号光；
S1路信号光依次经第八反射镜658、第九反射镜659、第一1/4玻片641后，经第二分光片622分为两个S1信号支路，一个S1信号支路经第二偏振分束器612后分别从第一通道和第三通道输出，另一S1信号支路经第三反射镜653和第三偏振分束器613后分别从第二通道和第四通道输出；
S2路信号光依次经第十反射镜650、第二1/4玻片642后，经第三分光片623分为两个S2信号支路，一个S2信号支路经第四偏振分束器614后分别从第五通道和第七通道输出，另一S2信号支路经第七反射镜657和第五偏振分束器615后分别从第六通道和第八通道输出；
其中，第一通道、第二通道、第五通道、第六通道的偏振态相同；第三通道、第四通道、第七通道、第八通道的偏振态相同。
若本振光为P偏振光，则第一通道、第二通道、第五通道、第六通道的偏振态为P偏振态；第三通道、第四通道、第七通道、第八通道的偏振态为S偏振态。
上述分光片均为1/2分光片。
所述90度光混频器用于将第一通道和第二通道的信号相干后作为I1支路输出，将第三通道和第四通道的信号相干作为Q1支路输出，将第五通道和第六通道的信号相干后作为I2支路输出，将第七通道和第八通道的信号相干后作为Q2支路输出。
所述I1支路和I2支路输入第一平衡探测器710；所述Q1支路和Q2支路输出第二平衡探测器720。
本征信号为
Figure 236718DEST_PATH_IMAGE016
，为P偏振光，简称P光。通过第一分光片之后光强变为一半，则振幅变为
Figure 614610DEST_PATH_IMAGE017
，因此此时信号为
Figure 684197DEST_PATH_IMAGE018
，此时设置半波片的光轴慢轴与P光成22.5度，则线偏光的偏振面旋转45度，因此此时若仍按照平行直面为P光轴方向的话，此刻LO信号P光轴能量和S光轴能量各占一半。P方向波动方程为
Figure 147539DEST_PATH_IMAGE019
，S方向也为
Figure 85408DEST_PATH_IMAGE019
。经过反射镜反射后通过第二分光片，由于反射作用，产生半个波长的相位畸变。此刻本征信号LO的P方向和S方向均为
Figure 52227DEST_PATH_IMAGE020
信号光的P方向光信号为：
Figure 558295DEST_PATH_IMAGE021
信号光的S方向光信号为：
Figure 367988DEST_PATH_IMAGE022
信号经过PBS之后分为两路，一路为P方向的S1信号；一路为S方向的S2信号。S1透射进入上路。此时S2被完全阻断，反射进入下路。S1经过一个四分之一玻片之后成为圆偏光。因为S1比LO多反射一次，所以会产生半个波长的畸变，所以此时P方向的S1经过第一1/4玻片之后成为
Figure 984914DEST_PATH_IMAGE023
，S方向因为又产生半个波长的旋转，因而此时为
Figure 71819DEST_PATH_IMAGE024
信号通过分光片之后透射信号为
Figure 748788DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 45777DEST_PATH_IMAGE026
反射信号产生半个波长畸变为
Figure 200815DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 407805DEST_PATH_IMAGE028
。
现在来看本征信号和光信号的混频。以第一通道和第二通道为例：
因为探测器探测到的信号是信号强度，所以，对于第一通道：
Figure 613265DEST_PATH_IMAGE029
要求出它的模。
Figure 272917DEST_PATH_IMAGE031
同理，对于第二通道：
Figure 231646DEST_PATH_IMAGE032
中
Figure 27563DEST_PATH_IMAGE034
因而第一通道和第二通道的两个PD经过平衡探测器之后滤除前两项直流部分得到：
Figure 170969DEST_PATH_IMAGE035
后边六个通道算法类似，依次得到：
第三通道和第四通道的两个PD经过平衡探测器之后滤除前两项直流部分得到：
Figure 317916DEST_PATH_IMAGE036
；
第五通道和第六通道的两个PD经过平衡探测器之后滤除前两项直流部分得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
；
第六通道和第七通道的两个PD经过平衡探测器之后滤除前两项直流部分得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE038
。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内容。

Claims (10)

1.一种基于双偏振干涉的相干激光雷达，其特征在于，包括连续光激光器、第一分束器、声光调制器、扰模器、光纤放大器、光学收发模块、双偏振相干模块、第一平衡探测器、第二平衡探测器和数据采集处理模块；所述连续光激光器用于输出连续的线偏振激光，所述连续光激光器的输出端经保偏光纤与第一分束器的输入端连接，并且将输出的连续的线偏振激光发送至第一分束器；
所述第一分束器用于将所述连续光激光器输出的连续的线偏振激光分为两路，一路作为本振光通过保偏光纤输出到双偏振相干模块，另一路作为信号光通过保偏光纤输出到声光调制器；
所述声光调制器用于将输入的连续激光调制为线偏振脉冲光并改变输入的连续激光的频率；声光调制器的输出端经保偏光纤与扰模器连接，将线偏振脉冲光输出至扰模器中；
扰模器用于将输入的线偏振脉冲光转化为非线偏振光，扰模器的输出端与光纤放大器的输入端通过单模光纤连接，将非线偏振光输出给光纤放大器；
所述光纤放大器用于放大非线偏振光为激光，光纤放大器的输出端与光学收发模块的输入端通过单模光纤连接，将激光输出给光学收发模块；
光学收发模块用于将输入的激光发射到目标物，并接收从目标物返回的回波信号作为信号光；光学收发模块输出的信号光通过单模光纤输入到双偏振相干模块；
所述双偏振相干模块用于将本振光与信号光中的双偏振光分别干涉，输出四路相干光信号，所述双偏振相干模块的输出端分别与第一平衡探测器的输入端、第二平衡探测器的输入端相连接；
第一平衡探测器用于对双偏振相干模块输出的其中两路相干光信号进行平衡探测，其中一路包括本振光，并且将平衡探测后的光信号发送至数据采集处理模块；
第二平衡探测器用于对双偏振相干模块输出的另外两路相干光信号进行平衡探测，其中一路包括本振光，并且将平衡探测后的光信号发送至数据采集处理模块；
数据采集处理模块用于对第一平衡探测器和第二平衡探测器输出的光信号进行分析处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于双偏振干涉的相干激光雷达，其特征在于，所述双偏振相干模块包括第二分束器和光纤偏振分束器，所述第二分束器用于将输入的本振光分为两路，分别输出到第一平衡探测器和第二平衡探测器；所述光纤偏振分束器用于将输入的信号光分为S偏振光和P偏振光输出。
3.根据权利要求2所述的一种基于双偏振干涉的相干激光雷达，其特征在于，所述双偏振相干模块包括偏振态转换机构，用于将光纤偏振分束器输出的S偏振光和P偏振光中，与本振光偏振态不同的一路转换为与本振光偏振态相同。
4.根据权利要求3所述的一种基于双偏振干涉的相干激光雷达，其特征在于，所述双偏振相干模块还包括若干个保偏光纤，所述光纤偏振分束器将S偏振光和P偏振光分别通过保偏光纤输出；所述偏振态转换机构通过调整保偏光纤的位置来改变偏振态。
5.根据权利要求4所述的一种基于双偏振干涉的相干激光雷达，其特征在于，所述双偏振相干模块还包括若干个保偏光纤，所述第二分束器将输入的本振光分为两路，分别通过保偏光纤输出到第一平衡探测器和第二平衡探测器。
6.根据权利要求5所述的一种基于双偏振干涉的相干激光雷达，其特征在于，所述双偏振相干模块包括90度光混频器，所述90度光混频器包括：本振光输入端、信号光输入端、第一分光片、第二分光片、第三分光片、第一1/2玻片、第二1/2玻片、第一1/4玻片、第二1/4玻片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第四偏振分束器、第五偏振分束器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜、第十反射镜；
本振光输入端输入的本振光经第一分光片分为上下两路本振光；
上路本振光依次经过第一反射镜、第一1/2玻片、第二反射镜后，经第二分光片分为两个上本振支路，一个上本振支路经第二偏振分束器后分别从第一通道和第三通道输出，另一上本振支路经第三反射镜和第三偏振分束器后分别从第二通道和第四通道输出；
下路本振光依次经第四反射镜、第五反射镜、第二1/2玻片、第六反射镜后，经第三分光片分为两个下本振支路，一个下本振支路经第四偏振分束器后分别从第五通道和第七通道输出，另一下本振支路经第七反射镜和第五偏振分束器后分别从第六通道和第八通道输出；
信号光输入端输入的信号光经第一偏振分束器分为S1、S2两路信号光；
S1路信号光依次经第八反射镜、第九反射镜、第一1/4玻片后，经第二分光片分为两个S1信号支路，一个S1信号支路经第二偏振分束器后分别从第一通道和第三通道输出，另一个S1信号支路经第三反射镜和第三偏振分束器后分别从第二通道和第四通道输出；
S2路信号光依次经第十反射镜、第二1/4玻片后，经第三分光片分为两个S2信号支路，一个S2信号支路经第四偏振分束器后分别从第五通道和第七通道输出，另一S2信号支路经第七反射镜和第五偏振分束器后分别从第六通道和第八通道输出；
其中，第一通道、第二通道、第五通道、第六通道的偏振态相同；第三通道、第四通道、第七通道、第八通道的偏振态相同。
7.根据权利要求6所述的一种基于双偏振干涉的相干激光雷达，其特征在于，所述90度光混频器用于将第一通道和第二通道的信号相干后作为I1支路输出，将第三通道和第四通道的信号相干作为Q1支路输出，将第五通道和第六通道的信号相干后作为I2支路输出，将第七通道和第八通道的信号相干后作为Q2支路输出。
8.根据权利要求7所述的一种基于双偏振干涉的相干激光雷达，其特征在于，所述I1支路和I2支路输入第一平衡探测器；所述Q1支路和Q2支路输出第二平衡探测器。
9.根据权利要求1所述的一种基于双偏振干涉的相干激光雷达，其特征在于，所述数据采集处理模块包括第一FFT单元、第二FFT单元和功率谱叠加单元；
所述第一FFT单元用于对第一平衡探测器输出的信号进行快速傅里叶变换；
所述第二FFT单元用于对第二平衡探测器输出的信号进行快速傅里叶变换；
所述功率谱叠加单元用于将第一FFT单元和第二FFT单元经过傅里叶变化后的信号在功率谱上叠加，得到叠加信号。
10.根据权利要求9所述的一种基于双偏振干涉的相干激光雷达，其特征在于， 所述数据采集处理模块还包括多普勒频移获取单元，所述多普勒频移获取单元用于根据功率谱叠加单元得到的叠加信号提取多普勒频移信息。
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