CN115436954A - 一种单路探测偏振激光雷达系统 - Google Patents

一种单路探测偏振激光雷达系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单路探测偏振激光雷达系统，属于激光雷达领域，一种单路探测偏振激光雷达系统，激光器的输出端与保偏分束器的输入端连接，保偏分束器的输出端一与声光调制器的输入端连接，声光调制器的输出端与放大器的输入连接，放大器的输出端与发射望远镜的输入端连接，发射望远镜将激光出射到大气中，本方案的回波信号在于本振光拍频前，未连接任何额外光学元器件，直接跟本振光耦合，最大程度减小了回波信号的损失；另外，本方案的重频没有改变，解决了时分复用技术探测距离变短的问题；此外，本方案采用单路探测的方式，成本低、稳定性强，并且不存在多路探测需要校准探测器相应等问题。

Description

一种单路探测偏振激光雷达系统
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，更具体地说，涉及一种单路探测偏振激光雷达系统。
背景技术
激光雷达是一种主动的遥感手段，利用激光雷达可以得到气溶胶的垂直分布信息。其中，偏振激光雷达自1971年被研制出来，以其分辨率高、实时性好、探测范围广的优点，在大气探测中一直发挥着重要的作用。偏振激光雷达不仅能够获得气溶胶的分布情况，而且可依据气溶胶后向散射光偏振状态获得气溶胶的球形特性，进而辨别气溶胶的种类。例如，汽车尾气和工业废气主要是酸性球形颗粒物，退偏比较低，其退偏比小于0.1。沙尘气溶胶是非球形颗粒物。其退偏比相对较大，退偏比在0.2-0.3.显然，偏振激光雷达能够根据退偏比辨别气溶胶和污染物的种类和来源，为气溶胶和污染物的产生、传输及扩散特性研究提供有力的支持。此外，偏振雷达还能实现云层相态的识别，不同云内相态结构不同，对应的退偏比不同。例如，卷云的退偏比在0.5左右，而水云的退偏比接近0。
传统的偏振激光雷达采用收发分置望远镜，需要包括两套望远镜，发射望远镜和接收望远镜。在计算退偏比时主要采用两种方法。一种方法是利用光学元器件把回波信号的平行光和垂直光分离出来，分成两路回波信号分别于本振光进行拍频，并需要两个探测器分别探测两个偏振态信号，使得偏振激光雷达成本和稳定性受到极大限制，并存在两路探测的校准问题。另外一种方法是通过时分复用的形式实现时分复用，用单探测器实现雷达回波中的平行偏振信号与垂直偏振信号同时探测。但是这种方法需要使用几十公里的延时光纤，偏振态容易发生改变且成本高；并且时分复用技术会导致重频变高，探测距离变短。目前已有的技术都需要在回波信号处使用光学元件，都存在导致回波衰减，信噪比低的问题。
发明内容
1．要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种单路探测偏振激光雷达系统，它能够通过产生交替的平行态本振光和垂直态的本振光，分别与回波信号拍频，通过单路探测获取退偏比。
2．技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种单路探测偏振激光雷达系统，包括激光器、保偏分束器、声光调制器、放大器、发射望远镜、光开关、旋转器、衰减器、双轴耦合器1、接收望远镜、双轴耦合器2、平衡探测器以及信号采集与处理系统；
激光器的输出端与保偏分束器的输入端连接，保偏分束器的输出端一与声光调制器的输入端连接，声光调制器的输出端与放大器的输入连接，放大器的输出端与发射望远镜的输入端连接，发射望远镜将激光出射到大气中；
保偏分束器的输出端二与光开关的输入端连接，光开关的输出端一与旋转器的输入端连接，旋转器的输出端与双轴耦合器1的输入端一连接；
光开关的输出端二与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与双轴耦合器1的输入端二连接；
双轴耦合器1的输出端一与双轴耦合器2的输入端一连接，接收望远镜的输出端与双轴耦合器2的输入端二连接；
双轴耦合器2的输出端与平衡探测器的输入端连接；
平衡探测器的输出端与信号采集和处理系统连接；
激光器产生平行光P1，通过保偏分束器分成两路平行光P3和平行本振光P4，一路平行光P3经过声光调制器频移和放大器功率放大之后，从发射望远镜出射到大气中；另一路平行本振光P4输入光开关，获得两路交替的平行本振光P5和平行本振光P6；
光开关触达重频为
Figure 327776DEST_PATH_IMAGE001
,放大器的触发重频则为
Figure 983754DEST_PATH_IMAGE002
，平行本振光P5连接旋转器，形成垂直本振光S1；平行本振光P6连接衰减器，形成衰减后的平行本振光P7；
通过调节衰减器，使得垂直本振光S1和平行本振光P7的能量保持一致；垂直本振光S1和平行本振光P7连接双轴耦合器1获得两路混合本振光PS1和混合本振光PS2，混合本振光PS1和混合本振光PS2均包含交替出射的垂直本振光S1和平行本振光P7；混合本振光PS1和回波信号光连接双轴耦合器2，获得混合本振光PS3和混合本振光PS4；
混合本振光PS3和混合本振光PS4接入平衡探测器和数据和采集处理系统，采集到总信号，拍频信号包括平行态信号和垂直态信号，对拍频信号的奇数脉冲和偶数脉冲信号分别累积得到信号强度CNR1和CNR2，退偏比的计算公式为：
Figure 75207DEST_PATH_IMAGE003
。
优选的，光开关为2×2光开关。
优选的，旋转器为90°旋转器，包括偏振控制器和90°旋转法兰，用于将线偏光的波动方向旋转90度。
优选的，双轴耦合器1和双轴耦合器2均为50:50输入和输出，且其慢轴和快轴同时工作。
3．有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
其一：本方案的回波信号在于本振光拍频前，未连接任何额外光学元器件，直接跟本振光耦合，最大程度减小了回波信号的损失；
其二：本方案的重频没有改变，解决了时分复用技术探测距离变短的问题；
其三：本方案采用单路探测的方式，成本低、稳定性强，并且不存在多路探测需要校准探测器相应等问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种单路探测偏振激光雷达系统的结构框图；
图2为本发明实施例提供的一种单路探测偏振激光雷达系统的时序图。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，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。
请参阅图1，一种单路探测偏振激光雷达系统，包括激光器、保偏分束器、声光调制器、放大器、发射望远镜、光开关、旋转器、衰减器、双轴耦合器1、接收望远镜、双轴耦合器2、平衡探测器以及信号采集与处理系统；
激光器的输出端与保偏分束器的输入端连接，保偏分束器的输出端一与声光调制器的输入端连接，声光调制器的输出端与放大器的输入连接，放大器的输出端与发射望远镜的输入端连接，发射望远镜将激光出射到大气中；
保偏分束器的输出端二与光开关的输入端连接，光开关的输出端一与旋转器的输入端连接，旋转器的输出端与双轴耦合器1的输入端一连接；
光开关的输出端二与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与双轴耦合器1的输入端二连接；
双轴耦合器1的输出端一与双轴耦合器2的输入端一连接，接收望远镜的输出端与双轴耦合器2的输入端二连接；
双轴耦合器2的输出端与平衡探测器的输入端连接；
平衡探测器的输出端与信号采集和处理系统连接。
其中，光开关为2×2光开关。
其中，旋转器为90°旋转器，包括偏振控制器和90°旋转法兰，用于将线偏光的波动方向旋转90度。
其中，双轴耦合器1和双轴耦合器2均为50:50输入和输出，且其慢轴和快轴同时工作。
具体工作流程如下：
激光器产生平行光P1，通过保偏分束器分成两路平行光P3和平行本振光P4，一路平行光P3经过声光调制器频移和放大器功率放大之后，从发射望远镜出射到大气中。
平行本振光P4的时序图如图2中的（1）所示。
另一路平行本振光P4输入光开关，获得两路交替的平行本振光P5和平行本振光P6；
光开关触达重频为
Figure 50116DEST_PATH_IMAGE004
,放大器的触发重频则为
Figure 344963DEST_PATH_IMAGE005
，光开关的触发信号的时序图如图2中的（2）所示。
平行本振光P5连接旋转器，形成垂直本振光S1；平行本振光P6连接衰减器，形成衰减后的平行本振光P7。
通过调节衰减器，使得垂直本振光S1和平行本振光P7的能量保持一致。
平行本振光P7时序图如图2中的（3）所示。
垂直本振光S1时序图如图2中的（4）所示。
垂直本振光S1和平行本振光P7连接双轴耦合器1获得两路混合本振光PS1和混合本振光PS2，混合本振光PS1和混合本振光PS2均包含交替出射的垂直本振光S1和平行本振光P7。
混合本振光PS1的时序图如图2中的（5）所示。
混合本振光PS1和回波信号光连接双轴耦合器2，获得混合本振光PS3和混合本振光PS4；混合本振光PS3和混合本振光PS4接入平衡探测器和数据和采集处理系统，采集到总信号，拍频信号包括平行态信号和垂直态信号。
平行态信号时序图如图2中的（6）所示。
垂直态信号时序图如图2中的（7）所示。
采集到的信号时序图如图2中的（8）所示。
对拍频信号的奇数脉冲和偶数脉冲信号分别累积得到信号强度CNR1和CNR2，退偏比的计算公式为：
Figure 696310DEST_PATH_IMAGE006
。
相较于现有技术，本方案的回波信号在于本振光拍频前，未连接任何额外光学元器件，直接跟本振光耦合，最大程度减小了回波信号的损失；另外，本方案的重频没有改变，解决了时分复用技术探测距离变短的问题；此外，本方案采用单路探测的方式，成本低、稳定性强，并且不存在多路探测需要校准探测器相应等问题。
以上所述；仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此；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；根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种单路探测偏振激光雷达系统，其特征在于：包括激光器、保偏分束器、声光调制器、放大器、发射望远镜、光开关、旋转器、衰减器、双轴耦合器1、接收望远镜、双轴耦合器2、平衡探测器以及信号采集与处理系统；
所述激光器的输出端与保偏分束器的输入端连接，所述保偏分束器的输出端一与声光调制器的输入端连接，所述声光调制器的输出端与放大器的输入连接，所述放大器的输出端与发射望远镜的输入端连接，所述发射望远镜将激光出射到大气中；
所述保偏分束器的输出端二与光开关的输入端连接，所述光开关的输出端一与旋转器的输入端连接，所述旋转器的输出端与双轴耦合器1的输入端一连接；
所述光开关的输出端二与衰减器的输入端连接，所述衰减器的输出端与双轴耦合器1的输入端二连接；
所述双轴耦合器1的输出端一与双轴耦合器2的输入端一连接，所述接收望远镜的输出端与双轴耦合器2的输入端二连接；
所述双轴耦合器2的输出端与平衡探测器的输入端连接；
所述平衡探测器的输出端与信号采集和处理系统连接；
所述激光器产生平行光P1，通过保偏分束器分成两路平行光P3和平行本振光P4，一路平行光P3经过声光调制器频移和放大器功率放大之后，从所述发射望远镜出射到大气中；另一路平行本振光P4输入光开关，获得两路交替的平行本振光P5和平行本振光P6；
所述光开关触达重频为
Figure 417965DEST_PATH_IMAGE001
,放大器的触发重频则为
Figure 701179DEST_PATH_IMAGE002
，所述平行本振光P5连接旋转器，形成垂直本振光S1；所述平行本振光P6连接衰减器，形成衰减后的平行本振光P7；
通过调节衰减器，使得垂直本振光S1和平行本振光P7的能量保持一致；所述垂直本振光S1和平行本振光P7连接双轴耦合器1获得两路混合本振光PS1和混合本振光PS2，混合本振光PS1和混合本振光PS2均包含交替出射的垂直本振光S1和平行本振光P7；所述混合本振光PS1和回波信号光连接双轴耦合器2，获得混合本振光PS3和混合本振光PS4；
所述混合本振光PS3和混合本振光PS4接入平衡探测器和数据和采集处理系统，采集到总信号，拍频信号包括平行态信号和垂直态信号，对拍频信号的奇数脉冲和偶数脉冲信号分别累积得到信号强度CNR1和CNR2，退偏比的计算公式为：
Figure 366384DEST_PATH_IMAGE003
。
2.根据权利要求1所述的一种单路探测偏振激光雷达系统，其特征在于：所述光开关为2×2光开关。
3.根据权利要求1所述的一种单路探测偏振激光雷达系统，其特征在于：所述旋转器为90°旋转器，包括偏振控制器和90°旋转法兰，用于将线偏光的波动方向旋转90度。
4.根据权利要求1所述的一种单路探测偏振激光雷达系统，其特征在于：所述双轴耦合器1和双轴耦合器2均为50:50输入和输出，且其慢轴和快轴同时工作。
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