CN114994710B - 一种动态范围分段控制的激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动态范围分段控制的激光雷达，涉及激光雷达领域。本发明利于光纤模场耦合器巧妙地解决了现有激光雷达对于接收信号视场角和光学数据处理的矛盾，在保证回波信号耦合效率的同时，扩大视场角，提高激光雷达性能，并能够满足光学接收机和探测器对小模场的要求，减小后续数据处理难度，提高了激光雷达的整体性能和应用范围。本发明通过对接收端信号进行分束，采用N个探测器分别探测，从而有效避免探测器的饱和效应，从而充分利用每个探测器的探测信号；同时，在保证每个探测器不发生饱和的前提下，还能提升发射功率，实现激光雷达发射激光功率的倍增，提高激光雷达的信号强度和信噪比。

Description

一种动态范围分段控制的激光雷达
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种动态范围分段控制的激光雷达。
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，经光电探测和数据处理后，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）等。
激光雷达要求接收望远镜的视场角大于发射激光的发散角。本发明的发明人发现，在激光雷达设计时，为了满足上述要求，一方面需减小发射激光的发散角，这可以通过增大发射望远镜的焦距，以提高扩束倍率来实现；另外一方面需增大接收望远镜的视场角，这可以通过减小望远镜的焦距或者增大耦合光纤的模场面积来实现。
发明内容
（一）解决的技术问题
本发明的发明人发现，增大发射望远镜的焦距会带来望远镜模块体积的增大，并且由于增大了焦距，激光光束更容易受到震动和环境温湿压变化的影响，从而降低系统的稳定性。而在接收望远镜端，当耦合光纤的数值孔径NA一定时，减小望远镜的焦距，将造成接收望远镜的有效接收面积的减小，从而降低接收信号强度，降低激光雷达的探测性能；如果采用多模光纤耦合，则后续的光信号处理需采用多模光纤，这大大提高了光信号探测和处理的难度，有些光学接收机无法使用多模光纤工作，另外，多模光电探测器也存在代价高、性能差的问题。因此，多模光纤限制了某些激光雷达，尤其是测风激光雷达、退偏振激光雷达和测温激光雷达的应用。这些缺陷，极大地限制了激光雷达的发展。
本发明的发明人进一步发现，为了提高激光雷达对弱信号的检测能力，需要适当增强发射功率，而发射功率的增大会导致探测器发生饱和而使探测性能迅速下降。
（二）技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种动态范围分段控制的激光雷达，包括：光源模块、光学收发模块、光纤模场耦合器、1×N型分束器、N个探测器、数据采集和处理模块；N为大于1的整数；其中：
所述光源模块用于输出脉冲激光信号；
光学收发模块用于将光源模块输出的脉冲激光信号发射到目标物，并接收目标物返回的回波信号；
所述光纤模场耦合器的输入端与所述光学收发模块的输出端通过多模光纤连接，所述光纤模场耦合器的输出端与1×N型分束器的输入端通过单模光纤连接；所述光纤模场耦合器用于实现多模光信号到单模光信号的耦合；所述光纤模场耦合器的输入端为多模光纤端，输出端为单模光纤端；
所述1×N型分束器包括1个输入端和N个输出端；1×N型分束器的N个输出端与N个探测器一一对应连接；所述1×N型分束器的每个输出端连接一个探测器；所述1×N型分束器用于将输入的单模光信号分为N路输出到N个探测器；
所述数据采集和处理模块用于采集N个所述探测器输出的电信号，并对采集的信号进行处理。
进一步的，所述探测器为单光子探测器。
进一步的，还包括探测器电压控制模块，所述探测器电压控制模块用于控制在预设的近场探测区间内，N个所述探测器的反向电压为第一阈值电压；以及，控制在预设的远场探测区间内，N个所述探测器的反向电压为第二阈值电压；
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，V为N个探测器的反向电压，R为探测距离，R1为预设的近场探测区间，R2为预设的远场探测区间，Vth1为第一阈值电压，Vth2为第二阈值电压。
进一步的，当光学收发模块为收发同轴结构时，所述预设的近场探测区间R1和预设的远场探测区间R2满足如下条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为近场探测区间的最大探测距离；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为激光雷达的最大探测距离；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为当回波信号功率等于
Figure DEST_PATH_IMAGE012
时对应的探测距离；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为当回波信号功率等于
Figure DEST_PATH_IMAGE014
时对应的探测距离；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为回波信号峰值功率；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为回波信号峰值功率对应的探测距离。
进一步的，当光学收发模块为收发分置结构时，所述预设的近场探测区间R1和预设的远场探测区间R2满足如下条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为预设的第一探测距离；
Figure 374849DEST_PATH_IMAGE009
为近场探测区间的最大探测距离；
Figure 701925DEST_PATH_IMAGE010
为激光雷达的最大探测距离；
Figure 189539DEST_PATH_IMAGE011
为当回波信号功率等于
Figure 867645DEST_PATH_IMAGE012
时对应的探测距离；
Figure 98906DEST_PATH_IMAGE013
为当回波信号功率等于
Figure 546068DEST_PATH_IMAGE014
时对应的探测距离；
Figure 939003DEST_PATH_IMAGE015
为回波信号峰值功率；
Figure 307667DEST_PATH_IMAGE016
为回波信号峰值功率对应的探测距离。
进一步的，所述光学收发模块为收发同轴结构，所述光学收发模块包括光纤环形器和接收望远镜；所述光纤环形器的输入端与激光放大器的输出端连接，所述光纤环形器的收发端与接收望远镜连接，所述光纤环形器的输出端通过多模光纤与光纤模场耦合器的输入端连接；所述接收望远镜用于将输入的信号发射到目标物，并接收目标物返回的回波信号。
进一步的，所述光学收发模块为收发分置结构，所述光学收发模块包括发射望远镜和接收望远镜；所述发射望远镜的输入端与激光放大器的输出端连接，所述发射望远镜用于将输入的信号发射到目标物中；所述接收望远镜的输出端通过多模光纤与光纤模场耦合器的输入端连接，所述接收望远镜用于接收目标物返回的回波信号。
进一步的，所述光纤模场耦合器为保偏型模场适配器或非保偏型模场适配器。
进一步的，所述光纤模场耦合器的大模场光纤端的光纤芯径为62.5um，数值孔径NA为0.275；所述光纤模场耦合器的小模场光纤端的模场直径为10.1um，数值孔径NA为0.125。
进一步的，所述光源模块包括连续光激光器和激光脉冲发生器；所述连续光激光器的输出端与激光脉冲发生器的输入端通过光纤连接，激光脉冲发生器的输出端与激光放大器的输入端通过连接，激光放大器的输出端与光学收发模块的输入端通过光纤连接。
（三）有益效果
（1）本发明一种动态范围分段控制的激光雷达，使用多模光纤与光学收发模块的输出匹配端连接，能够有效解决望远镜受大气湍流、镜片形变等影响导致的光斑晃动和耦合效率不佳的问题；显著增大回波信号的耦合面积，显著提高了回波信号的耦合效率，从而提高探测效率和信噪比。同时，扩大了接收视场角、并能降低激光雷达对望远镜的面型要求，不需要减小接收望远镜的焦距，从而有力地保证接收望远镜的有效接收面积，提高激光雷达的探测性能。另外，由于接收视场明显增大，还能够有效地降低对发射望远镜焦距的要求，减小发射望远镜的焦距，进而减小望远镜模块的体积，使激光光束不容易受到震动和环境温湿压变化的影响，从而从整体上提高激光雷达系统的稳定性。
（2）本发明一种动态范围分段控制的激光雷达，通过采用光纤模场耦合器，实现多模光信号到单模光信号的高效率耦合；此外，后续的光信号接收处理均可采用单模光纤，从而明显降低光信号探测和处理的难度。特别是，部分激光雷达的光学接收机，如测风激光雷达、退偏振激光雷达和测温激光雷达等对光纤模场的限制非常严格，只能采用特定的单模光纤才能工作，无法使用多模光纤；本发明利于光纤模场耦合器巧妙地解决了现有激光雷达对于接收信号视场角和光学数据处理的矛盾，在保证回波信号耦合效率的同时，扩大视场角，提高激光雷达性能，并能够满足光学接收机和探测器对小模场的要求，减小后续数据处理难度，提高了激光雷达的整体性能和应用范围。
（3）本发明一种动态范围分段控制的激光雷达，通过对接收端信号进行分束，采用N个探测器分别探测，每个探测器的功率为总功率的1/N，从而有效避免探测器的饱和效应，从而充分利用每个探测器的探测信号；同时，在保证每个探测器不发生饱和的前提下，还能提升发射功率，实现激光雷达发射激光功率的倍增，提高激光雷达的信号强度和信噪比。
（4）本发明一种动态范围分段控制的激光雷达，通过采用探测器电压控制模块，通过控制探测器的电压对探测器的噪声水平进行分段控制和优化，从而实现大动态范围的探测。本发明通过对近场较强信号压低电压来降低近场噪声，提高近场信号的信噪比；对远场信号升高电压来提高信号强度，最终实现信噪比的提高，既能有效避免近场信号强导致的探测器饱和，同时还能提高远场信号的探测能力，提高远场信噪比，提高激光雷达探测的动态范围。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种动态范围分段控制的激光雷达的结构框图；
图2是本发明实施例提供的一种动态范围分段控制的激光雷达的原理示意图；
图3是本发明实施例提供的一种动态范围分段控制的激光雷达的又一结构框图；
图4是本发明实施例提供的一种动态范围分段控制的激光雷达的另一结构框图；
图5是本发明实施例提供的一种动态范围分段控制的激光雷达的再一结构框图。
其中，10、光源模块；20、光学收发模块；21、光纤环形器；22、接收望远镜；30、光纤模场耦合器；40、1×N型分束器；50、探测器；60、数据采集和处理模块；70、探测器电压控制模块。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，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
请参见图1所示，一种动态范围分段控制的激光雷达，包括：光源模块10、光学收发模块20、光纤模场耦合器30、1×N型分束器40、N个探测器50、数据采集和处理模块60；N为大于1的整数；其中：
所述光源模块10用于输出脉冲激光信号。
具体的，如图3所示，所述光源模块10包括连续光激光器和激光脉冲发生器；所述连续光激光器的输出端与激光脉冲发生器的输入端通过光纤连接，激光脉冲发生器的输出端与激光放大器的输入端通过连接，激光放大器的输出端与光学收发模块20的输入端通过光纤连接。
光学收发模块20用于将光源模块10输出的脉冲激光信号发射到目标物，并接收目标物返回的回波信号。
当激光雷达进行大气探测时，目标物为大气。
所述光纤模场耦合器30的输入端与所述光学收发模块20的输出端通过多模光纤连接，所述光纤模场耦合器30的输出端与1×N型分束器40的输入端通过单模光纤连接；所述光纤模场耦合器30用于实现多模光信号到单模光信号的耦合；所述光纤模场耦合器30的输入端为多模光纤端，输出端为单模光纤端。
光纤模场耦合器30也称为光纤模场适配器(MFA)，能够有效扩展单模光纤或LMA光纤的模场，以匹配较大LMA光纤的LP01模场。这些装置是双向的，因此可以反向使用，输出端用作输入端时可以压缩模场。通过使用精密切割刀和熔接机，可以低损耗熔接单模、多模光纤。
两根不对称几何结构的光纤进行标准熔接会产生高插入损耗，并降低光束质量，光纤模场适配器在两根光纤之间使用绝热锥体逐渐扩展或压缩模场。因此，光纤模场适配器接入光束传播系统或其他高功率装备时，可以实现最大信号传输和最佳M2光束质量。
本发明使用多模光纤与光学收发模块20的输出匹配端连接，能够有效解决望远镜受大气湍流、镜片形变等影响导致的光斑晃动和耦合效率不佳的问题；显著增大回波信号的耦合面积，显著提高了回波信号的耦合效率，从而提高探测效率和信噪比。同时，扩大了接收视场角、并能降低激光雷达对望远镜的面型要求，不需要减小接收望远镜22的焦距，从而有力地保证接收望远镜22的有效接收面积，提高激光雷达的探测性能。另外，由于接收视场明显增大，还能够有效地降低对发射望远镜23焦距的要求，减小发射望远镜23的焦距，进而减小望远镜模块的体积，使激光光束不容易受到震动和环境温湿压变化的影响，从而从整体上提高激光雷达系统的稳定性。
本发明通过采用光纤模场耦合器30，实现多模光信号到单模光信号的高效率耦合；此外，后续的光信号接收处理均可采用单模光纤，从而明显降低光信号探测和处理的难度。特别是，部分激光雷达的光学接收机，如测风激光雷达、退偏振激光雷达和测温激光雷达等对光纤模场的限制非常严格，只能采用特定的单模光纤才能工作，无法使用多模光纤；本发明利于光纤模场耦合器30巧妙地解决了现有激光雷达对于接收信号视场角和光学数据处理的矛盾，在保证回波信号耦合效率的同时，扩大视场角，提高激光雷达性能，并能够满足光学接收机和探测器50对小模场的要求，减小后续数据处理难度，提高了激光雷达的整体性能和应用范围。
在信号检测端，所述1×N型分束器40包括1个输入端和N个输出端；1×N型分束器40的N个输出端与N个探测器50一一对应连接；所述1×N型分束器40的每个输出端连接一个探测器50；所述1×N型分束器40用于将输入的单模光信号分为N路输出到N个探测器50。
光学收发模块20通过多模光纤输出大模场，高信噪比的信号，这些信号通过光纤模场耦合器30后单模输出，其能量较大，探测器50容易发生饱和。为了解决上述问题 ，本发明设置所述1×N型分束器40对接收端信号进行分束，采用N个探测器50分别探测每路单模信号，每个探测器50的功率为总功率的1/N，从而有效避免探测器50的饱和效应，充分利用每个探测器50的探测信号；同时，在保证每个探测器50不发生饱和的前提下，还能提升发射功率，实现激光雷达发射激光功率的倍增，提高激光雷达的信号强度和信噪比。
未来便于后续数据处理，以及保证激光雷达探测的稳定性和均一性，N个探测器50优选为N个性能相同的探测器50。探测器50优选为单光子探测器。探测器50包括光电倍增管单光子探测器、单光子雪崩光电二极管、上转换单光子探测器、超导线纳米探测器等。
所述数据采集和处理模块60用于采集N个所述探测器50输出的电信号，并对采集的信号进行处理。
由于采用1×N型分束器40将接收信号分成N路探测，虽然解决了探测器50信号饱和的问题，但是，由于激光雷达的近场信号较强，而远场信号较弱，若探测器50采用同一探测灵敏度测量，会导致近场信号发生饱和或远场弱信号无法被检测到。
探测器50的核心元件为光电二极管，也是由PN结构成的半导体，也具有单方向导电性，但是在电路中它不作为整流元件，而是把光信号转变为电信号的光电传感器件。
普通二极管在反向电压工作时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相较大，以便接收入射光。光电二极管在反向电压工作下的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增加到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换为电信号，称为光电传感器件。
探测器50的测量灵敏度由反向电压决定。反向电压越高，测量灵敏度越高。因此，通过控制探测器50的反向电压能够控制探测器50的测量灵敏度。
但是，提高反向电压时，测量噪声也会增加。因此，探测器50的反向电压不是越高越好。
为了解决上述技术问题，在一个实施例中，本发明还包括探测器电压控制模块70，所述探测器电压控制模块70用于控制在预设的近场探测区间内，N个所述探测器50的反向电压为第一阈值电压；以及，控制在预设的远场探测区间内，N个所述探测器50的反向电压为第二阈值电压； 即:
Figure DEST_PATH_IMAGE024
；
Figure 342619DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，V为N个探测器50的反向电压，R为探测距离，R1为预设的近场探测区间，R2为预设的远场探测区间，Vth1为第一阈值电压，Vth2为第二阈值电压。
在其他实施例中，还可以将激光雷达的探测区间进一步划分为多个子区间，每个子区间分别设置相应的反向电压。反向电压的大小与回波信号强度反相关。即，回波信号越强，反向电压越小。
具体的，在一个实施例中，如图4所示，所述光学收发模块20为收发同轴结构，所述光学收发模块20包括光纤环形器21和接收望远镜22；所述光纤环形器21的输入端与激光放大器的输出端连接，所述光纤环形器21的收发端与接收望远镜22连接，所述光纤环形器21的输出端通过多模光纤与光纤模场耦合器30的输入端连接；所述接收望远镜22用于将输入的信号发射到目标物，并接收目标物返回的回波信号。
当光学收发模块20为收发同轴结构时，所述预设的近场探测区间R1和预设的远场探测区间R2满足如下条件：
Figure 909867DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure 473704DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 126402DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 699466DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 855640DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 853028DEST_PATH_IMAGE008
；
其中，
Figure 930705DEST_PATH_IMAGE009
为近场探测区间的最大探测距离；
Figure 369777DEST_PATH_IMAGE010
为激光雷达的最大探测距离；
Figure 583720DEST_PATH_IMAGE011
为当回波信号功率等于
Figure 817256DEST_PATH_IMAGE012
时对应的探测距离；
Figure 116650DEST_PATH_IMAGE013
为当回波信号功率等于
Figure 93833DEST_PATH_IMAGE014
时对应的探测距离；
Figure 162283DEST_PATH_IMAGE015
为回波信号峰值功率；
Figure 566720DEST_PATH_IMAGE016
为回波信号峰值功率对应的探测距离。
光学收发模块20为收发同轴结构时，不存在测量盲区。
激光雷达的最大探测距离由激光雷达的系统配置、目标物在大气中的传输和数据处理算法共同决定。
在实际测量中，可以向探测器50施加预设的反向电压进行测量，以确定近场探测区间的最大探测距离
Figure DEST_PATH_IMAGE025
和回波信号峰值功率
Figure DEST_PATH_IMAGE026
。
图2是本发明实施例提供的一种动态范围分段控制的激光雷达的原理示意图；图2给出了近场探测区间的最大探测距离
Figure DEST_PATH_IMAGE027
和回波信号峰值功率
Figure DEST_PATH_IMAGE028
的示意。
在一个实施例中，如图5所示，所述光学收发模块20为收发分置结构，所述光学收发模块20包括发射望远镜23和接收望远镜22；所述发射望远镜23的输入端与激光放大器的输出端连接，所述发射望远镜23用于将输入的信号发射到目标物中；所述接收望远镜22的输出端通过多模光纤与光纤模场耦合器30的输入端连接，所述接收望远镜22用于接收目标物返回的回波信号。
相应的，当光学收发模块20为收发分置结构时，所述预设的近场探测区间R1和预设的远场探测区间R2满足如下条件：
Figure 556673DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure 9651DEST_PATH_IMAGE018
；
Figure 260503DEST_PATH_IMAGE019
；
Figure 773524DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure 109828DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure DEST_PATH_IMAGE029
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为预设的第一探测距离。
具体的，
Figure 835338DEST_PATH_IMAGE030
为光学收发模块20的接收望远镜22视场完全进入发射望远镜23的视场的位置，即激光雷达几何重叠因子为1时的位置。
Figure DEST_PATH_IMAGE031
由激光雷达的光学收发模块20的参数确定。
Figure 409539DEST_PATH_IMAGE009
为近场探测区间的最大探测距离；
Figure 93461DEST_PATH_IMAGE010
为激光雷达的最大探测距离；
Figure 651482DEST_PATH_IMAGE011
为当回波信号功率等于
Figure 711842DEST_PATH_IMAGE012
时对应的探测距离；
Figure 671707DEST_PATH_IMAGE013
为当回波信号功率等于
Figure 526531DEST_PATH_IMAGE014
时对应的探测距离；
Figure 837426DEST_PATH_IMAGE015
为回波信号峰值功率；
Figure 438828DEST_PATH_IMAGE016
为回波信号峰值功率对应的探测距离。
进一步的，所述光纤模场耦合器30为保偏型模场适配器或非保偏型模场适配器。
在一个实施例中，所述光纤模场耦合器30的大模场光纤端的光纤芯径为62.5um，数值孔径NA为0.275；所述光纤模场耦合器30的小模场光纤端的模场直径为10.1um，数值孔径NA为0.125。
本发明通过采用探测器电压控制模块70，通过控制探测器50的电压对探测器的噪声水平进行分段控制和优化，从而实现大动态范围的探测。本发明通过对近场较强信号压低电压来降低近场噪声，提高近场信号的信噪比；对远场信号升高电压来提高信号强度，最终实现信噪比的提高，既能有效避免近场信号强导致的探测器饱和，同时还能提高远场信号的探测能力，提高远场信噪比，提高激光雷达探测的动态范围。
在一个实施例中，探测器电压控制模块还包括软件降噪单元，通过预设的软件算法对远场信号进行降噪，以提高远场信号的信噪比。
需要说明的是，本发明中所述的远场信号和近场信号，由预设的近场探测区间R1和预设的远场探测区间R2确定，近场探测区间R1和预设的远场探测区间R2由近场探测区间的最大探测距离
Figure DEST_PATH_IMAGE032
和激光雷达的最大探测距离
Figure DEST_PATH_IMAGE033
确定。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (9)

1.一种动态范围分段控制的激光雷达，其特征在于，包括光源模块、光学收发模块、光纤模场耦合器、1×N型分束器、N个探测器以及数据采集和处理模块；N为大于1的整数；其中：
所述光源模块用于输出脉冲激光信号；
光学收发模块用于将光源模块输出的脉冲激光信号发射到目标物，并接收目标物返回的回波信号；
所述光纤模场耦合器的输入端与所述光学收发模块的输出端通过多模光纤连接，所述光纤模场耦合器的输出端与1×N型分束器的输入端通过单模光纤连接；所述光纤模场耦合器用于实现多模光信号到单模光信号的耦合；所述光纤模场耦合器的输入端为多模光纤端，所述光纤模场耦合器的输出端为单模光纤端；
所述1×N型分束器包括1个输入端和N个输出端；所述1×N型分束器的N个输出端与N个探测器一一对应连接；所述1×N型分束器用于将输入的单模光信号分为N路输出到N个探测器；
所述数据采集和处理模块用于采集N个所述探测器输出的电信号，并对采集的信号进行处理；
所述激光雷达还包括探测器电压控制模块，所述探测器电压控制模块用于控制在预设的近场探测区间内，N个所述探测器的反向电压为第一阈值电压；以及，控制在预设的远场探测区间内，N个所述探测器的反向电压为第二阈值电压；
Figure FDA0003848071440000011
Vth2＞Vth1；
其中，V为N个探测器的反向电压，R为探测距离，R1为预设的近场探测区间，R2为预设的远场探测区间，Vth1为第一阈值电压，Vth2为第二阈值电压。
2.根据权利要求1所述的动态范围分段控制的激光雷达，其特征在于，所述探测器为单光子探测器。
3.根据权利要求1所述的动态范围分段控制的激光雷达，其特征在于，当所述光学收发模块为收发同轴结构时，所述预设的近场探测区间R1和预设的远场探测区间R2满足如下条件：
R1∈[0，Ra]；
R2∈(Ra，Rmax]；
Figure FDA0003848071440000025
Figure FDA0003848071440000026
Figure FDA0003848071440000021
Figure FDA0003848071440000022
其中，Ra为近场探测区间的最大探测距离；Rmax为激光雷达的最大探测距离；RP1为当回波信号功率等于P1时对应的探测距离；RP2为当回波信号功率等于P2时对应的探测距离；Pmax为回波信号峰值功率；
Figure FDA0003848071440000023
为回波信号峄值功率对应的探测距离。
4.根据权利要求1所述的动态范围分段控制的激光雷达，其特征在于，当光学收发模块为收发分置结构时，所述预设的近场探测区间R1和预设的远场探测区间R2满足如下条件：
R1∈[R0，Ra]；
R2∈(Ra，Rmax]；
Figure FDA0003848071440000027
Figure FDA0003848071440000028
Figure FDA0003848071440000024
Figure FDA0003848071440000031
其中，R0为预设的第一探测距离；
Ra为近场探测区间的最大探测距离；Rmax为激光雷达的最大探测距离；RP1为当回波信号功率等于P1时对应的探测距离；RP2为当回波信号功率等于P2时对应的探测距离；Pmax为回波信号峰值功率；
Figure FDA0003848071440000032
为回波信号峰值功率对应的探测距离。
5.根据权利要求1所述的动态范围分段控制的激光雷达，其特征在于，所述光学收发模块为收发同轴结构，所述光学收发模块包括光纤环形器和接收望远镜；所述光纤环形器的输入端与激光放大器的输出端连接，所述光纤环形器的收发端与接收望远镜连接，所述光纤环形器的输出端通过多模光纤与光纤模场耦合器的输入端连接；所述接收望远镜用于将输入的信号发射到目标物，并接收目标物返回的回波信号。
6.根据权利要求1所述的动态范围分段控制的激光雷达，其特征在于，所述光学收发模块为收发分置结构，所述光学收发模块包括发射望远镜和接收望远镜；所述发射望远镜的输入端与激光放大器的输出端连接，所述发射望远镜用于将输入的信号发射到目标物中；所述接收望远镜的输出端通过多模光纤与光纤模场耦合器的输入端连接，所述接收望远镜用于接收目标物返回的回波信号。
7.根据权利要求1所述的动态范围分段控制的激光雷达，其特征在于，所述光纤模场耦合器为保偏型模场适配器或非保偏型模场适配器。
8.根据权利要求1所述的动态范围分段控制的激光雷达，其特征在于，所述光纤模场耦合器的大模场光纤端的光纤芯径为62.5um，数值孔径NA为0.275；所述光纤模场耦合器的小模场光纤端的模场直径为10.1um，数值孔径NA为0.125。
9.根据权利要求1所述的动态范围分段控制的激光雷达，其特征在于，所述光源模块包括连续光激光器和激光脉冲发生器；所述连续光激光器的输出端与激光脉冲发生器的输入端通过光纤连接，所述激光脉冲发生器的输出端与激光放大器的输入端通过连接，所述激光放大器的输出端与光学收发模块的输入端通过光纤连接。
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