CN116299838A - 一种光传导部件及激光雷达 - Google Patents

一种光传导部件及激光雷达 Download PDF

Info

Publication number
CN116299838A
CN116299838A CN202310091103.2A CN202310091103A CN116299838A CN 116299838 A CN116299838 A CN 116299838A CN 202310091103 A CN202310091103 A CN 202310091103A CN 116299838 A CN116299838 A CN 116299838A
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
core layer
boundary
center
refractive index
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310091103.2A
Other languages
English (en)
Inventor
秦胜光
吴松华
李荣忠
王琪超
王希涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qingdao Radium Testing And Creative Core Technology Co ltd
Original Assignee
Qingdao Radium Testing And Creative Core Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qingdao Radium Testing And Creative Core Technology Co ltd filed Critical Qingdao Radium Testing And Creative Core Technology Co ltd
Priority to CN202310091103.2A priority Critical patent/CN116299838A/zh
Publication of CN116299838A publication Critical patent/CN116299838A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4818—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements using optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B23/00—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
    • G02B23/02—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices involving prisms or mirrors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0005—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02042—Multicore optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02319—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by core or core-cladding interface features
    • G02B6/02333—Core having higher refractive index than cladding, e.g. solid core, effective index guiding
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了一种光传导部件及激光雷达，光传导部件包括向远处延伸的本体，本体包括第一芯层、第二芯层和包层，第二芯层包覆于第一芯层的外侧，包层包覆于第二芯层的外侧。沿着本体的径向第二芯层具有至少两种折射率，第一芯层的折射率大于第二芯层的最大折射率，使得光束中的一种模式光束在第一芯层内传输，第二芯层的最小折射率大于包层的折射率，使得光束中的至少两种模式光束能够通过第二芯层传输，在第一芯层内传输的模式光束与至少两种模式光束的任一模式光束不同。应用本光传导部件使激光雷达能够兼顾接收信号强度与退偏振信息测量的功能。

Description

一种光传导部件及激光雷达
技术领域
本发明涉及光学系统领域，特别是涉及一种光传导部件。本发明还涉及一种激光雷达。
背景技术
常规的激光雷达中，望远镜的接收光路与激光发射光路要保持视场重合一致。望远镜与后续分光系统的连接分为硬连接和软连接。硬连接将望远镜和分光系统固定为一个整体，内部均使用空间光形式进行光路分光处理，体积及重量较大，日常使用中尤其是振动平台下，大尺寸大重量的系统很难保持长期的固定稳定性，微小的整体固定形变会对整体的光路一致性产生明显影响。软连接是使用光纤接收和传输信号，将望远镜接收的回波信号耦合进入光纤，再由光纤将信号光传输至分光系统实现分光探测，使用光纤连接望远镜和分光系统，望远镜及分光系统均单独固定，固定尺寸及重量均小很多，容易保持各自的固定稳定性；并且，信号作为空间光来传输的长度也明显减小，相同形变量对信号探测的影响也明显减小。
使用光纤的软连接能够显著提升激光雷达的光路稳定性，但光纤的自身特性又对系统形成了新的限制。光纤分为单模保偏光纤与多模光纤。单模保偏光纤接收芯径小，有效耦合信号弱，但能够保持传输光的偏振状态；多模光纤接收芯径大，有效耦合信号强，但无法保持传输光的偏振状态。因此，在激光雷达中，使用单模保偏光纤作为接收光部件，系统接收信号强度低，影响探测距离，能够探测大气退偏信息；使用多模光纤作为接收光部件，系统接收信号强度高，探测距离远，但不能探测大气退偏信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种光传导部件，应用于激光雷达，使激光雷达能够兼顾接收信号强度与退偏振信息测量的功能。本发明还提供一种激光雷达。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种光传导部件，用于传输光束，包括向远处延伸的本体，所述本体包括第一芯层、第二芯层和包层，所述第二芯层包覆于所述第一芯层的外侧，所述包层包覆于所述第二芯层的外侧；
沿着所述本体的径向所述第二芯层具有至少两种折射率，所述第一芯层的折射率大于所述第二芯层的最大折射率，使得所述光束中的一种模式光束在所述第一芯层内传输，所述第二芯层的最小折射率大于所述包层的折射率，使得所述光束中的至少两种模式光束能够通过所述第二芯层传输，在所述第一芯层内传输的模式光束与所述至少两种模式光束的任一模式光束不同。
可选地，沿着所述本体的径向所述第一芯层的折射率不变，或/和沿着所述本体的径向向外所述第二芯层的折射率减小。
可选地，所述第二芯层的横截面外边界包括位于所述本体中心一侧的第一边界以及位于所述本体中心另一侧的第二边界，所述第一边界到所述本体中心的最大距离与所述第二边界到所述本体中心的最大距离不同。
可选地，所述第二芯层的横截面外边界所围区域为扁长状。
可选地，所述第一芯层的横截面为圆，所述第二芯层的横截面外边界包括第一半圆弧边界、第二半圆弧边界以及将所述第一半圆弧边界和所述第二半圆弧边界连接的直线边界，所述第一芯层的横截面中心与所述第一半圆弧边界的圆心重合。
可选地，所述第一芯层的横截面边界包括位于所述本体中心一侧的第三边界以及位于所述本体中心另一侧的第四边界，所述第三边界到所述本体中心的最大距离与所述第四边界到所述本体中心的最大距离不同。
一种激光雷达，包括光源、望远光学系统、光传导部件、偏振分光元件、第一光电器件、第二光电器件和数据处理装置，所述光源用于发射出激光束，所述望远光学系统用于接收所述激光束传输至大气后被反射回的光，并将接收到的返回光会聚而入射至所述光传导部件，所述光传导部件用于将入射至所述光传导部件的所述返回光传输至所述偏振分光元件；
所述偏振分光元件用于将所述返回光分出第一偏振光和第二偏振光，使所述第一偏振光入射至所述第一光电器件，使所述第二偏振光入射至所述第二光电器件，所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振态正交，所述第一光电器件和所述第二光电器件分别用于检测自身接收到的光能量；
所述数据处理装置分别与所述第一光电器件、所述第二光电器件相连，用于根据所述第一光电器件获得的能量值、所述第二光电器件获得的能量值，获得所述大气的退偏振信息；
所述光传导部件为以上所述的光传导部件。
可选地，所述数据处理装置用于根据以下公式获得所述大气的退偏振信息：
Figure BDA0004070375820000031
其中，D表示所述大气的退偏振信息，SP表示所述第一光电器件获得的能量值，SS表示所述第二光电器件获得的能量值，C表示所述光传导部件的第二芯层接收到的返回光能量与第一芯层接收到的返回光能量的比值。
可选地，所述光传导部件的所述第二芯层的横截面外边界包括位于所述本体中心一侧的第一边界以及位于所述本体中心另一侧的第二边界，所述第一边界到所述本体中心的最大距离小于所述第二边界到所述本体中心的最大距离；
所述望远光学系统用于将接收到的返回光会聚而入射至所述光传导部件的进光端，在俯视视角下，在所述光传导部件的进光端所述第二芯层的所述第一边界位于所述本体中心靠近所述光源的一侧，所述第二芯层的所述第二边界位于所述本体中心远离所述光源的一侧。
可选地，所述光传导部件的所述第二芯层的横截面外边界所围区域为扁长状；
所述望远光学系统用于将接收到的返回光会聚而入射至所述光传导部件的进光端，在俯视视角下，所述光源位于在所述光传导部件的进光端所述第二芯层的横截面长轴方向上。
由上述技术方案可知，本发明所提供的一种光传导部件，用于传输光束，光传导部件包括向远处延伸的本体，本体包括第一芯层、第二芯层和包层，第二芯层包覆于第一芯层的外侧，包层包覆于第二芯层的外侧。其中，沿着本体的径向第二芯层具有至少两种折射率，第一芯层的折射率大于第二芯层的最大折射率，使得光束中的一种模式光束在第一芯层内传输，第二芯层的最小折射率大于包层的折射率，使得光束中的至少两种模式光束能够通过第二芯层传输，在第一芯层内传输的模式光束与至少两种模式光束的任一模式光束不同。本光传导部件传输光束时，在第一芯层内传输一种模式光束，通过第一芯层传输的光束能够保持偏振状态，通过第二芯层能够传输至少两种模式光束，使传输的光束能量较大。本发明的光传导部件能够应用于激光雷达，用于传输激光雷达接收到的大气返回光，基于光传导部件的第一芯层传输的光能量能够测量大气的退偏振信息，而基于光传导部件的第二芯层传输光，使传输的返回光能量较大，使激光雷达接收的信号强度较强，从而使得激光雷达能够兼顾接收信号强度与退偏振信息测量的功能。
本发明提供的一种激光雷达，能够兼顾接收信号强度与退偏振信息测量的功能。
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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明一实施例提供的一种光传导部件的横向剖面图；
图2为本发明又一实施例提供的一种光传导部件的横向剖面图；
图3为本发明实施例的激光雷达在俯视视角下激光雷达的发射光束与光传导部件的进光端之间的相对关系示意图；
图4为本发明实施例提供的一种激光雷达的示意图。
说明书附图中的附图标记包括：
100-本体，101-第一芯层，102-第二芯层，103-包层，104-第一半圆弧边界，105-第一直线边界，106-第二半圆弧边界，107-第二直线边界，108-发射光束；
200-光源，201-望远光学系统，202-第一反射镜，203-第二反射镜，204-光传导部件，205-偏振分光元件，206-第一光电器件，207-第二光电器件，208-准直透镜，209-滤光元件，210-第一聚焦透镜，211-第二聚焦透镜，212-数据采集板，213-工控机。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种光传导部件，用于传输光束，包括向远处延伸的本体，所述本体包括第一芯层、第二芯层和包层，所述第二芯层包覆于所述第一芯层的外侧，所述包层包覆于所述第二芯层的外侧；
沿着所述本体的径向所述第二芯层具有至少两种折射率，所述第一芯层的折射率大于所述第二芯层的最大折射率，使得所述光束中的一种模式光束在所述第一芯层内传输，所述第二芯层的最小折射率大于所述包层的折射率，使得所述光束中的至少两种模式光束能够通过所述第二芯层传输，在所述第一芯层内传输的模式光束与所述至少两种模式光束的任一模式光束不同。
第一芯层、第二芯层和包层分别由具有相应折射率的光学介质形成。第一芯层的折射率大于第二芯层的最大折射率，使得光束中的一种模式光束被束缚在第一芯层内，通过第一芯层传输。沿着本体的径向第二芯层具有至少两种折射率，第二芯层的最小折射率大于包层的折射率，使得光束中的至少两种模式光束能够通过第二芯层传输。由此本光传导部件实现传输光束。
本光传导部件的第一芯层内传输一种模式光束，通过第一芯层传输的光束能够保持偏振状态；本光传导部件通过第二芯层能够传输至少两种模式光束，使传输的光束能量较大。本实施例的光传导部件能够应用于激光雷达，用于传输激光雷达接收到的大气返回光，基于光传导部件的第一芯层传输的光能量能够测量大气的退偏振信息，而基于光传导部件的第二芯层传输光，使传输的返回光能量较大，使激光雷达接收的信号强度较强，从而使得激光雷达能够兼顾接收信号强度与退偏振信息测量的功能。
示例地可参考图1，图1为一实施例提供的一种光传导部件的横向剖面图，如图所示，光传导部件包括本体100，沿着本体100的径向依次为第一芯层101、第二芯层102和包层103。第二芯层102包覆于第一芯层101的外侧，包层103包覆于第二芯层102的外侧。
可以是沿着本体100的径向第一芯层101的折射率不变，而第一芯层101的折射率大于第二芯层102的最大折射率，以能够使光束中的一种模式光束被束缚在第一芯层101内传输，使得该模式光束在第一芯层101内传输时色散较小、损耗较小。本实施例中，对第一芯层101的折射率具体取值不做限定，在第一芯层101内传输的模式光束与第一芯层101的折射率相关，在实际应用中可以根据应用需求设置第一芯层101的折射率。
沿着本体100的径向向外第二芯层102的折射率减小，以能够使光束中的至少两种模式光束通过光传导部件的第二芯层102传输。本实施例中，对沿着本体100的径向向外第二芯层102的折射率减小的形式不做限定，可以是但不限于沿着本体100的径向向外第二芯层102的折射率以渐变式减小或者沿着本体100的径向向外第二芯层102的折射率以阶跃式减小。可通过第二芯层102传输的各模式光束与第二芯层102的折射率取值相关，在实际应用中，第二芯层102的折射率分布可以根据所需传输的模式光束进行设置。本实施例中，对包层103的折射率具体取值不做限定，在实际应用中可以根据第一芯层101、第二芯层102的折射率情况进行设置。
在一些实施方式中，第二芯层102的横截面外边界包括位于所述本体100中心一侧的第一边界以及位于所述本体100中心另一侧的第二边界，所述第一边界到所述本体100中心的最大距离与所述第二边界到所述本体100中心的最大距离不同。即第二芯层102的横截面以本体100中心非对称，这样，将本光传导部件应用于激光雷达，用于传输激光雷达接收到的大气返回光时，若激光雷达接收到的返回光经过激光雷达的望远光学系统成像后，在光传导部件的进光端成像光斑偏离了光传导部件中心(即光传导部件本体100的中心)，而光传导部件的第二芯层102横截面以本体100中心非对称，可以使至少部分成像光斑能够落在第二芯层102，使得这种情况下本光传导部件能够接收到以及传输激光雷达接收到的返回光，能够减小激光雷达的探测盲区。
可选地，第二芯层102的横截面外边界所围区域可以是扁长状，这样，若激光雷达接收到的返回光经过激光雷达的望远光学系统成像后，在光传导部件的进光端成像光斑偏离了光传导部件中心(即光传导部件本体100的中心)，而光传导部件的第二芯层102横截面外边界所围区域为扁长状，可以使至少部分成像光斑落在第二芯层102，使得在这种情况下本光传导部件也能够接收到以及传输激光雷达接收到的返回光。示例地第二芯层102的横截面外边界所围区域具体可以是条带状。
可选地在一些实施方式中，第一芯层101的横截面为圆，所述第二芯层102的横截面外边界包括第一半圆弧边界、第二半圆弧边界以及将所述第一半圆弧边界和所述第二半圆弧边界连接的直线边界，所述第一芯层101的横截面中心与所述第一半圆弧边界的圆心重合。示例地可参考图2，图2为又一实施例提供的一种光传导部件的横向剖面图，如图所示，第一芯层101的横截面为圆，第二芯层102的横截面外边界包括依次连接的第一半圆弧边界104、第一直线边界105、第二半圆弧边界106和第二直线边界107，第一芯层101的横截面中心与第一半圆弧边界104的圆心重合。
可以理解的是，图2所示的光传导部件只是本发明光传导部件的一种可选实施方式，在其它实施方式中，光传导部件的横向剖面也可以是其它形状，只要能够使激光雷达接收到的返回光经望远光学系统成像后成像光斑偏离了光传导部件中心时，成像光斑的至少部分能够落在第二芯层102即可，都在本发明保护范围内。
在一些实施方式中，第一芯层101的横截面边界包括位于所述本体100中心一侧的第三边界以及位于所述本体100中心另一侧的第四边界，所述第三边界到所述本体100中心的最大距离与所述第四边界到所述本体100中心的最大距离不同。即第一芯层101的横截面以本体100中心非对称，这样，将本光传导部件应用于激光雷达，用于传输激光雷达接收到的大气返回光时，若激光雷达接收到的返回光经过激光雷达的望远光学系统成像后，在光传导部件的进光端成像光斑偏离了光传导部件中心(即光传导部件本体100的中心)，而光传导部件的第一芯层101横截面以本体100中心非对称，使至少部分成像光斑能够落在第一芯层101以及第二芯层102，使得在这种情况下本光传导部件能够接收到以及传输激光雷达接收到的返回光，可以减小激光雷达的探测盲区。需要说明的是，在实际应用中，若按照本实施方式设置光传导部件的第一芯层101，会使第二芯层102的横截面面积大很多，这样会导致在激光雷达的实际应用场景中接收到的背景光也会大很多，会影响实际测量效果。因此相比之下，在实际应用中，优选设置本光传导部件的第二芯层102横截面以本体100中心非对称，来减小激光雷达的探测盲区。并且减小对激光雷达测量结果的影响。
本实施例还提供一种激光雷达，包括光源、望远光学系统、光传导部件、偏振分光元件、第一光电器件、第二光电器件和数据处理装置，所述光源用于发射出激光束，所述望远光学系统用于接收所述激光束传输至大气后被反射回的光，并将接收到的返回光会聚而入射至所述光传导部件，所述光传导部件用于将入射至所述光传导部件的所述返回光传输至所述偏振分光元件；
所述偏振分光元件用于将所述返回光分出第一偏振光和第二偏振光，使所述第一偏振光入射至所述第一光电器件，使所述第二偏振光入射至所述第二光电器件，所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振态正交，所述第一光电器件和所述第二光电器件分别用于检测自身接收到的光能量；
所述数据处理装置分别与所述第一光电器件、所述第二光电器件相连，用于根据所述第一光电器件获得的能量值、所述第二光电器件获得的能量值，获得所述大气的退偏振信息；
所述光传导部件为以上任一实施例所述的光传导部件。
光源发射出的激光束传输至大气后，经大气发生反射，具体发生散射，产生的后向散射光被望远光学系统接收。
望远光学系统将接收到的返回光会聚，将返回光耦合至光传导部件中，光传导部件将耦合进入光传导部件的返回光传输至偏振分光元件。其中，光传导部件的第一芯层传输返回光中的一种模式光束，经光传导部件传输过程中在第一芯层内传输的该光束能够保持偏振状态不变。光传导部件的第二芯层可以传输返回光中的至少两种模式光束，通过第二芯层传输的光束能量较大，使得第一光电器件和第二光电器件检测到的光能量较大。
本实施例的激光雷达，光传导部件的第一芯层传输的光束能够保持偏振状态，使得可以实现测量大气的退偏振信息，而光传导部件通过第二芯层可传输较多的光能量，使激光雷达接收的信号强度较大，从而本实施例的激光雷达能够兼顾接收信号强度与退偏振信息测量的功能。
在一些实施方式中，数据处理装置用于根据以下公式获得所述大气的退偏振信息：
Figure BDA0004070375820000101
其中，D表示所述大气的退偏振信息，SP表示所述第一光电器件获得的能量值，SS表示所述第二光电器件获得的能量值，C表示所述光传导部件的第二芯层接收到的返回光能量与第一芯层接收到的返回光能量的比值。
下面对本激光雷达测量大气退偏振信息的原理进行详细说明。假设，由光传导部件的第一芯层101接收到的回波(即返回光)能量为A，由光传导部件的第二芯层102接收到的回波(即返回光)能量为B。存在以下关系式：
A＝AP+AS，B＝BP+BS；
其中，A表示光传导部件的第一芯层101接收及传输的光能量，AP、AS分别表示光传导部件的第一芯层101接收及传输的光束的第一偏振光能量、第二偏振光能量，B表示光传导部件的第二芯层102接收及传输的光能量，BP、BS分别表示光传导部件的第二芯层102接收及传输的光束的第一偏振光能量、第二偏振光能量。
望远光学系统接收到的返回光经过光传导部件传输后，通过第二芯层102传输的返回光的偏振特性发生改变，会转变为完全的非偏振光，而在第一芯层101内传输的返回光保持偏振状态，在第一芯层101内传输的返回光中各种偏振光保持着由大气返回时的能量比例关系。因此，经过偏振分光元件分光后，第一光电器件和第二光电器件获取到的光能量分别为：
Figure BDA0004070375820000111
Figure BDA0004070375820000112
其中，SP表示所述第一光电器件获得的能量值，SS表示所述第二光电器件获得的能量值。
而光传导部件的第一芯层101接收及传输的光能量A及第二芯层102接收及传输的光能量B之间的比例关系是确定的，假设两者之间关系如下：
B＝C·A； (3)
其中，C表示比例系数，即表示第二芯层102接收及传输的光能量与第一芯层101接收及传输的光能量的比值。
则第一光电器件获得的能量值SP和第二光电器件获得的能量值SS可进行如下计算：
SP+SS＝A+B＝(C+1)A；
Figure BDA0004070375820000113
如果第一偏振光P光代表向大气发射出的激光(可称为本征光)，第二偏振光S光代表激光经大气退偏后的信号光，那么，大气退偏振信息D表示如下：
Figure BDA0004070375820000114
根据上面公式(1)-(4)，公式(5)可以得到以下表达式：
Figure BDA0004070375820000115
因此，根据分光后的第一偏振光能量和第二偏振光能量，具体根据第一光电器件和第二光电器件检测到的能量值可以基于固定的A和B的比例关系，计算获得大气的退偏振信息。
若激光雷达采用旁轴方式，即发射光路与接收光路不同轴，激光雷达的发射光束光轴与接收光路光轴之间具有一段距离，近场的回波(即返回光)经过望远光学系统成像后，在光传导部件的进光端成像光斑会偏离光传导部件中心(即光传导部件本体100的中心)，导致光传导部件的第一芯层甚至第二芯层不能接收到回波能量或者接收到的回波能量很少，因此使得无法对近场大气进行测量，比如距离激光雷达几十到几百米之间的范围，产生激光雷达的探测盲区。针对此，在一些实施方式中，所述光传导部件的所述第二芯层102的横截面外边界包括位于所述本体100中心一侧的第一边界以及位于所述本体100中心另一侧的第二边界，所述第一边界到所述本体100中心的最大距离小于所述第二边界到所述本体100中心的最大距离；所述望远光学系统用于将接收到的返回光会聚而入射至所述光传导部件的进光端，在俯视视角下，在所述光传导部件的进光端所述第二芯层102的所述第一边界位于所述本体100中心靠近所述光源的一侧，所述第二芯层102的所述第二边界位于所述本体100中心远离所述光源的一侧。
本实施方式中，设置光传导部件的第二芯层102的位于本体100中心一侧的第一边界以及位于本体100中心另一侧的第二边界，分别到本体100中心的最大距离不同，即第二芯层102以光传导部件中心(即光传导部件本体100的中心)非对称，可以使成像光斑的至少部分能够落在第二芯层102，使得近场回波经过望远光学系统成像后，光传导部件能够接收到以及传输近场回波，能够减小激光雷达的近场探测盲区。
并且激光雷达采用旁轴方式，近场的回波(即返回光)经过望远光学系统成像后，成像光斑将落在光传导部件的进光端上远离发射光束的一侧，即在光传导部件的进光端上成像光斑中心相对于光传导部件的中心将远离发射光束，那么本实施方式中，在俯视视角下在光传导部件的进光端第二芯层102的第一边界位于本体100中心靠近光源的一侧，第二芯层102的第二边界位于本体100中心远离光源的一侧，而第二边界到本体100中心的最大距离大于第一边界到本体100中心的最大距离，使得近场回波经过望远光学系统成像后，在光传导部件的进光端上成像光斑能够落在第二芯层102上，使得光传导部件能够接收到以及传输一些近场的信号光，显著地降低激光雷达盲区的距离。示例地可参考图3，图3为本实施例的激光雷达在俯视视角下激光雷达的发射光束与光传导部件的进光端之间的相对关系示意图。如图所示，在光传导部件的进光端上第二芯层102右侧边界远离发射光束108，第二芯层102左侧边界靠近发射光束108，第二芯层102右侧边界到本体100中心的最大距离大于左侧边界到本体100中心的最大距离。
可选地在一些实施方式中，光传导部件的所述第二芯层102的横截面外边界所围区域为扁长状；所述望远光学系统用于将接收到的返回光会聚而入射至所述光传导部件的进光端，在俯视视角下，所述光源位于在所述光传导部件的进光端所述第二芯层102的横截面长轴方向上。若激光雷达采用旁轴方式，近场的回波(即返回光)经过望远光学系统成像后，成像光斑将落在光传导部件的进光端上远离发射光束的一侧，即在光传导部件的进光端上成像光斑中心相对于光传导部件的中心将远离发射光束，那么本实施方式中，设置光传导部件的第二芯层102的横截面外边界所围区域为扁长状，并且在俯视视角下，光源位于在光传导部件的进光端第二芯层102的横截面长轴方向上，可以使得光源的发射光束传输至大气后，使近场回波经过望远光学系统成像后，在光传导部件的进光端上成像光斑能够至少部分落在第二芯层102上。
本实施例中，对光源的类型不做限定，光源可采用但不限于谐振激光器，谐振激光器发射出脉冲激光。
本实施例中，对望远光学系统的结构不做限定。在一些实施方式中，望远光学系统包括相对的第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜将接收到的返回光以会聚形式反射至第二反射镜，第二反射镜将来自第一反射镜的光以会聚形式反射出，使得反射光通过第一反射镜的通光孔入射至光传导部件。示例地可参考图4，图4为一实施例提供的一种激光雷达的示意图，如图所示，激光雷达包括光源200、望远光学系统201、光传导部件204、偏振分光元件205、第一光电器件206、第二光电器件207和数据处理装置。其中，望远光学系统201包括相对的第一反射镜202和第二反射镜203，第一反射镜202将接收到的返回光以会聚形式反射至第二反射镜203，第二反射镜203将来自第一反射镜202的光以会聚形式反射出，使得反射光通过第一反射镜202的通光孔入射至光传导部件204。
本实施例中，对偏振分光元件205的结构不做限定，偏振分光元件205可采用但不限于偏振分光晶体。
优选地在一些实施方式中，在光传导部件204和偏振分光元件205之间设置有准直组件和滤光元件，准直组件用于将所述光传导部件204的出射光变换为平行光，使平行光入射至滤光元件，滤光元件用于允许目标波段光透过，滤除其它波段光。本实施例中，对准直组件的结构不做限定，准直组件包括但不限于透镜。在实际应用中，根据探测需求确定所需探测的信号光，来确定目标波段，进而选择相应的滤光元件。滤光元件可采用但不限于滤波片。可参考图4所示。在光传导部件204和偏振分光元件205之间设置有准直透镜208和滤光元件209。
优选地，在所述偏振分光元件205和所述第一光电器件206之间设置有第一会聚组件，所述第一会聚组件用于将所述偏振分光元件205出射的第一偏振光会聚至所述第一光电器件206，或/和在所述偏振分光元件205和所述第二光电器件207之间设置有第二会聚组件，所述第二会聚组件用于将所述偏振分光元件205出射的第二偏振光会聚至所述第二光电器件207。本实施例中，对第一会聚组件、第二会聚组件的结构不做限定，会聚组件可包括至少一片透镜。示例地可参考图4所示。在偏振分光元件205和第一光电器件206之间设置有第一聚焦透镜210，在偏振分光元件205和第二光电器件207之间设置有第二聚焦透镜211。
第一光电器件206、第二光电器件207可采用但不限于光电探测器，光电探测器设置有光敏面，光照射在光电探测器的光敏面上，光电探测器基于接收到的光生成电信号。
可选地，数据处理装置可包括数据采集板212和工控机213，数据采集板212分别与第一光电器件206和第二光电器件207相连，分别将第一光电器件206的电信号、第二光电器件207的电信号转换为数字信号，将数字信号传输至工控机213。工控机213用于进行数据处理，工控机213还可用于控制光源200发射激光束，同时光源200也将提供出光的同步信号给数据采集板212，为数据采集板212进行数据采集提供时间同步信号。
本实施例的激光雷达的光传导部件采用一种多包层的异形光纤结构，兼顾了接收信号强度与退偏振信息测量的功能，可以在使用光纤保证激光雷达的光路稳定性下，达到测量距离和偏振测量功能兼顾的效果，同时还将有效地减小测量盲区。而且本激光雷达采用的光传导部件的纤芯的绝对尺寸可以很小，并且本激光雷达分光光路整体长度较小，异形纤芯并不会影响后续的准直及分光探测性能。
以上对本发明所提供的一种光传导部件及激光雷达进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光传导部件，用于传输光束，其特征在于，包括向远处延伸的本体，所述本体包括第一芯层、第二芯层和包层，所述第二芯层包覆于所述第一芯层的外侧，所述包层包覆于所述第二芯层的外侧；
沿着所述本体的径向所述第二芯层具有至少两种折射率，所述第一芯层的折射率大于所述第二芯层的最大折射率，使得所述光束中的一种模式光束在所述第一芯层内传输，所述第二芯层的最小折射率大于所述包层的折射率，使得所述光束中的至少两种模式光束能够通过所述第二芯层传输，在所述第一芯层内传输的模式光束与所述至少两种模式光束的任一模式光束不同。
2.根据权利要求1所述的光传导部件，其特征在于，沿着所述本体的径向所述第一芯层的折射率不变，或/和沿着所述本体的径向向外所述第二芯层的折射率减小。
3.根据权利要求1所述的光传导部件，其特征在于，所述第二芯层的横截面外边界包括位于所述本体中心一侧的第一边界以及位于所述本体中心另一侧的第二边界，所述第一边界到所述本体中心的最大距离与所述第二边界到所述本体中心的最大距离不同。
4.根据权利要求1所述的光传导部件，其特征在于，所述第二芯层的横截面外边界所围区域为扁长状。
5.根据权利要求1所述的光传导部件，其特征在于，所述第一芯层的横截面为圆，所述第二芯层的横截面外边界包括第一半圆弧边界、第二半圆弧边界以及将所述第一半圆弧边界和所述第二半圆弧边界连接的直线边界，所述第一芯层的横截面中心与所述第一半圆弧边界的圆心重合。
6.根据权利要求1所述的光传导部件，其特征在于，所述第一芯层的横截面边界包括位于所述本体中心一侧的第三边界以及位于所述本体中心另一侧的第四边界，所述第三边界到所述本体中心的最大距离与所述第四边界到所述本体中心的最大距离不同。
7.一种激光雷达，其特征在于，包括光源、望远光学系统、光传导部件、偏振分光元件、第一光电器件、第二光电器件和数据处理装置，所述光源用于发射出激光束，所述望远光学系统用于接收所述激光束传输至大气后被反射回的光，并将接收到的返回光会聚而入射至所述光传导部件，所述光传导部件用于将入射至所述光传导部件的所述返回光传输至所述偏振分光元件；
所述偏振分光元件用于将所述返回光分出第一偏振光和第二偏振光，使所述第一偏振光入射至所述第一光电器件，使所述第二偏振光入射至所述第二光电器件，所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振态正交，所述第一光电器件和所述第二光电器件分别用于检测自身接收到的光能量；
所述数据处理装置分别与所述第一光电器件、所述第二光电器件相连，用于根据所述第一光电器件获得的能量值、所述第二光电器件获得的能量值，获得所述大气的退偏振信息；
所述光传导部件为权利要求1至6任一项所述的光传导部件。
8.根据权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述数据处理装置用于根据以下公式获得所述大气的退偏振信息：
Figure FDA0004070375770000021
其中，D表示所述大气的退偏振信息，SP表示所述第一光电器件获得的能量值，SS表示所述第二光电器件获得的能量值，C表示所述光传导部件的第二芯层接收到的返回光能量与第一芯层接收到的返回光能量的比值。
9.根据权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述光传导部件的所述第二芯层的横截面外边界包括位于所述本体中心一侧的第一边界以及位于所述本体中心另一侧的第二边界，所述第一边界到所述本体中心的最大距离小于所述第二边界到所述本体中心的最大距离；
所述望远光学系统用于将接收到的返回光会聚而入射至所述光传导部件的进光端，在俯视视角下，在所述光传导部件的进光端所述第二芯层的所述第一边界位于所述本体中心靠近所述光源的一侧，所述第二芯层的所述第二边界位于所述本体中心远离所述光源的一侧。
10.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述光传导部件的所述第二芯层的横截面外边界所围区域为扁长状；
所述望远光学系统用于将接收到的返回光会聚而入射至所述光传导部件的进光端，在俯视视角下，所述光源位于在所述光传导部件的进光端所述第二芯层的横截面长轴方向上。
CN202310091103.2A 2023-01-31 2023-01-31 一种光传导部件及激光雷达 Pending CN116299838A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310091103.2A CN116299838A (zh) 2023-01-31 2023-01-31 一种光传导部件及激光雷达

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310091103.2A CN116299838A (zh) 2023-01-31 2023-01-31 一种光传导部件及激光雷达

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116299838A true CN116299838A (zh) 2023-06-23

Family

ID=86791452

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310091103.2A Pending CN116299838A (zh) 2023-01-31 2023-01-31 一种光传导部件及激光雷达

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116299838A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8085472B2 (en) Expanded beam interface device and method for fabricating same
CN107727008B (zh) 一种测量主动光电系统收发同轴的装置及方法
US20140231647A1 (en) Compact fiber-based scanning laser detection and ranging system
WO2021103716A1 (zh) 实时测量机载高光谱成像激光雷达光谱的装置及方法
CN101825710A (zh) 一种2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统
CN113383246B (zh) 一种fmcw激光雷达系统
US10310085B2 (en) Photonic integrated distance measuring pixel and method of distance measurement
CN101825713A (zh) 一种2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统
CN102621558A (zh) 激光雷达能见度仪及其收发同轴光学系统
CN101825712A (zh) 一种2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统
CN115327561B (zh) 一种激光测距主动跟踪装置
CN102183359B (zh) 对光束的准直性进行检测的方法和装置
CN111398933B (zh) 激光雷达探测系统及激光雷达
CN107727368B (zh) 一种标定平行光管焦面位置的装置及方法
CN108387974B (zh) 一种高功率光纤激光收发一体端帽
CN110806623A (zh) 光收发器件
CN116299838A (zh) 一种光传导部件及激光雷达
CN215575639U (zh) 一种保偏光环形器和激光雷达
US4576447A (en) Compact, single piece laser beam analyzer
CN113678043B (zh) 辐射射束到光纤中的注入
CN210604964U (zh) 一种光纤相干多普勒探测系统
JP2005257472A (ja) 物理量検出装置
CN216979291U (zh) 激光雷达的光学系统及激光雷达
CN216979280U (zh) 一种光纤接收模组和激光雷达探测系统
CN112904579B (zh) 紧凑型光纤激光扩束准直系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination