CN117388828A - 一种收发一体式激光相干探测室内模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种收发一体式激光相干探测室内模拟装置及方法，包括：激光种子源，出射激光至第一分束器；第一分束器，用以将激光分为两路，其中一路顺次经过第一光调制器后入射至被模拟的环形器，另一路入射至第一合束器；模拟环形器，用以接收来自所述第二光放大器的激光来对待测目标进行探测，其出射激光经过所述第一合束器，所述第一合束器连接至信号采集处理装置，以在所述信号采集处理装置采集相干信号特征。本申请的装置能够实现实验室内模拟收发一体式远距离激光相干测距中环形器带来的干扰信号，并将泄漏光干扰信号与目标回波光从光传播路径分开，实现返回光信号和泄露光信号分别控制。

Description

一种收发一体式激光相干探测室内模拟装置及方法

技术领域

本申请涉及激光相干测距技术领域，尤其涉及一种收发一体式激光相干探测室内模拟装置及方法。

背景技术

基本的收发一体式激光相干测距由激光源、分束器、光调制器、光放大器、环形器、单镜头、合束器、探测器、信号采集处理装置构成。其中，激光源发射的激光经过分束器后分为两束，一束作为本振光，一束作为信号光。信号光经过光调制器形成发射脉冲信号，经放大器，从环形器1端注入，2端出射。回波光信号从同一镜头入射至环形器2端，经环形器3端后，经放大，与本振信号光合束，探测器对合束光信号进行探测，信号采集处理装置对探测信号进行解析。

在收发一体式激光相干测距系统中，环形器是实现收发同轴的关键器件。但是，受环形器光隔离度不足影响，从环形器1端口入射的光信号，会有一部分光泄漏到环形器3端口。这将导致在脉冲发射时刻，探测器就可以探测到信号光，在近距离探测时会带来较大影响。

在室内模拟收发一体式测距系统时，利用延迟光纤连接在环形器3端以模拟远距离回波信号时，即便没有目标照射，该部分泄露光也会经过光纤延迟线，延迟相应时间后到达探测器端，导致探测器探测到该部分信号。1微秒脉宽约对应150米实际空间距离，室内有限空间无法满足数百米直线长度，因此利用数微妙脉宽的脉冲信号进行目标照射时，信号返回光也会淹没在泄露光中，无法进行目标分辨，也就无法实现远距离收发一体式激光测室内模拟目的。

发明内容

本申请实施例提供一种收发一体式激光相干探测室内模拟装置及方法，用以实验室内模拟收发一体式远距离激光相干测距中环形器带来的干扰信号，并将泄漏光干扰信号与目标回波光从光传播路径分开，实现返回光信号和泄露光信号分别控制，探究两者对最终信号处理结果的影响，特别是针对载有多普勒频移的回波信号处理问题，距离模糊问题等应用情况。

本申请实施例提供一种收发一体式激光相干探测室内模拟装置，包括：

激光种子源，出射激光至第一分束器；

第一分束器，用以将激光分为两路，其中一路顺次经过第一光调制器后入射至被模拟的环形器，另一路入射至第一合束器；

模拟环形器，用以接收来自所述第二光放大器的激光来对待测目标进行探测，其出射激光经过所述第一合束器，所述第一合束器连接至信号采集处理装置，以在所述信号采集处理装置采集相干信号特征。

可选的，所述模拟装置包括第一光开关、光环形器、第二分束器、第一衰减器、第二衰减器、延迟光纤、偏振器、第二合束器、第二光开关，其中：

所述第一光开关，其一端连接在所述第一光调制器的出射光路，其另一端用以在所述被模拟的光环形器和所述第二分束器之间切换；

所述第二分束器，其一路输出连接至发射镜头，另一路输出连接至所述衰减器，所述衰减器，连接至所述第二合束器；

接收镜头接收待测目标的回波信号后顺次经过第二光调制器、所述延迟光纤、所述偏振器以及所述第二衰减器，入射至所述第二合束器；

所述第二光开关，其一端用以在所述第二合束器的输出和所述光环形器的输出之间切换，另一端将光信号输出至所述第一合束器。

可选的，所述被模拟的环形器还包括第一可调斜脉冲展宽器和第二可调斜脉冲展宽器，其中所述第一可调斜脉冲展宽器设置在所述第二分束器和所述第一衰减器之间，所述第二可调斜脉冲展宽器设置在第二光调制器和所述延迟光纤之间。

可选的，所述第一光调制器的两侧分别设置有第一光放大器、第二光放大器，其中所述第二光放大器连接在所述第一光开关的一端。

可选的，还包括光信号调制装置，所述光信号调制装置连接在所述第二光开关的另一端，且所述光信号调制装置的输出通过第三光放大器连接至所述第一合束器。

本申请实施例还提出一种收发一体式激光相干探测室内模拟方法，基于如前述的收发一体式激光相干探测室内模拟装置实现，包括如下步骤：

在室内模拟中，将第一光开关连接至被模拟的光环形器，第二光开关连接至所述光环形器的输出；

启动激光相干探测，保持输入参数恒定，通过信号采集处理装置记录第一相干信号特征；

将所述第一光开关切换至第二分束器，第二光开关切换至第二合束器，遮挡接收镜头，保持输入参数恒定，调节光衰减器，使得信号采集处理装置也记录到第一相干信号特征。

可选的，还包括打开接收镜头，将发射镜头和接收镜头对准待测目标，根据需要设置第二光调制器、延迟光纤以及偏振器。

本申请实施例的激光相干探测室内模拟装置能够在实验室内模拟收发一体式远距离激光相干测距中环形器带来的干扰信号，并将泄漏光干扰信号与目标回波光从光传播路径分开，实现返回光信号和泄露光信号分别控制，探究两者对最终信号处理结果的影响，特别是针对载有多普勒频移的回波信号处理问题，距离模糊问题等应用情况。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本申请实施例的收发一体式激光相干探测室内模拟装置整体结构示例；

图2为本申请实施例的收发一体式激光相干探测室内模拟装置另一种结构示例；

图3为本申请实施例的一种应用示例的延迟时间关系示例；

图4为本申请实施例的另一种应用示例的延迟时间关系示例。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本申请实施例提供一种收发一体式激光相干探测室内模拟装置，如图1所示，包括：

激光种子源，出射激光至第一分束器。在一些实施例中，所述第一光调制器的两侧分别设置有第一光放大器、第二光放大器，其中所述第二光放大器连接在所述第一光开关的一端。

第一分束器，用以将激光分为两路，其中一路顺次经过第一光调制器后入射至模拟环形器，另一路入射至第一合束器；

模拟环形器，用以接收来自所述第二光放大器的激光来对待测目标进行探测，其出射激光经过所述第一合束器，所述第一合束器连接至信号采集处理装置，以在所述信号采集处理装置采集相干信号特征。

在一些实施例中，还包括光信号调制装置，所述光信号调制装置连接在所述第二光开关的另一端，且所述光信号调制装置的输出通过第三光放大器连接至所述第一合束器。一些具体示例中，模拟装置可以在第二光开关后，第三光放大器前加入光信号调制装置，实现对环形器1-3端泄露光进行特殊处理。

如图1所示，本申请实施例的装置包含激光种子源、分束器、合束器、光放大器、光调制器、被模拟的环形器、光开关、可调谐脉冲展宽器、衰减器、延迟光纤、偏振控制器、探测器以及信号采集处理器。本申请实施例中激光种子源、第一分束器、第一合束器，第一、第二、第三光放大器，探测器、信号采集处理器是激光相干探测使用的基本器件，主要实现本振信号、发射信号的生成以及回波光与本振光相干解算。第一、第二、第三光放大器以及光信号调制装置均为相干探测系统的可选组成器件。

本申请实施例的模拟装置能够实现实验室内模拟收发一体式远距离激光相干测距中环形器带来的干扰信号，并且将泄漏光干扰信号与目标回波光从光传播路径分开，实现返回光信号和泄露光信号分别控制，探究两者对最终信号处理结果的影响，特别适用于载有多普勒频移的回波信号处理问题、距离模糊问题等应用情况。光信号调制装置的引入可以实现对不同时间域光信号进行处理，特别是泄露光信号的阻隔。

在一些实施中，如图1所示，所述模拟环形器包括第一光开关、光环形器、第二分束器、第一衰减器、第二衰减器、延迟光纤、偏振器、第二合束器、第二光开关，其中：

所述第一光开关，其一端连接在所述第一光调制器的出射光路，其另一端用以在所述光环形器和所述第二分束器之间切换；

所述第二分束器，其一路输出连接至发射镜头，另一路输出连接至所述第一衰减器，所述第一衰减器，连接至所述第二合束器；

接收镜头接收待测目标的回波信号后顺次经过第二光调制器、所述延迟光纤、所述偏振器以及所述第二衰减器，入射至所述第二合束器；

所述第二光开关，其一端用以在所述第二合束器的输出和所述光环形器的输出之间切换，另一端将光信号输出至所述第一合束器。

作为实现收发一体的关键器件光环形器，也即被模拟的环形器，利用分束器2、衰减器1、合束器2组合，来模拟该环形器的光泄露部分。在具体应用的室内模拟中，首先将第一光开关连接至A端，第二光开关连接至C端，启动激光相干探测系统，保持输入参数恒定，记录经探测器、信号采集处理器得到的相干信号特征为M。切换第一光开关至B端，第二光开关至D端。其中，B端光信号输出后进第二分束器，一部分作为模拟环形器泄露的光信号，另一部分经发射镜头照射目标。遮挡接收镜头，调节光衰减器，在激光相干探测系统恒定输入参数的条件下，使得信号处理器得到的信号特征同为相干信号特征M。

如图2所示，所述被模拟的环形器还包括第一可调斜脉冲展宽器和第二可调斜脉冲展宽器，其中所述第一可调斜脉冲展宽器设置在所述第二分束器和所述第一衰减器之间，所述第二可调斜脉冲展宽器设置在第二光调制器和所述延迟光纤之间。使用可调谐脉冲展宽器1实现模拟极近距离处大气散射等原因引起的发射时刻环形器3端回波脉冲时间展宽。

一些具体示例中，如图3所示，光放大器2在0时刻发射脉宽为t0(纳秒或几微秒)的光脉冲P1，在实验室条件下，在环形器3端加入延迟光纤拓展目标距离。由于环形器1到3端光泄露，发射的光脉冲P1会经过延迟光纤长度对应的延迟时间t1(公里级对应的延迟时间为数百微秒)后，作为光脉冲P2抵达接收端。

如图4所示，由于室内距离达不到发射脉宽t0(数百米量级)对应的距离，室内目标回波P3距发生时刻0的延迟时间为t1+t2；t2对应室内往返距离，一般小于t0。这样导致脉冲P2和P3在时间上有部分重叠，在检测时检测到的是重叠后的宽脉冲P4，无法在时间上分离环形器泄露光脉冲和目标返回光脉冲。

特别是在大气环境下近距离范围内进行收发一体测距时，环形器光泄露、镜面反射以及近距离大气散射会使回波脉冲展宽，如脉冲P6。检测时，信号光P2和P6共同形成宽脉冲P7，大大增加P2和P6的分离检测难度。

本申请实施例的室内模拟装置，将发射脉冲光信号分为两条支路，一条是作为模拟环形器支路，通过对比被模拟的环形器光信号特征(脉宽、强度等)，通过衰减器和可调谐脉冲展宽器调制该支路光脉冲(脉冲P5和P8)，使得调制后的光脉冲与被模拟的环形器检测信号特征一致；另一条连接光纤延迟线模拟远距离脉冲回波(脉冲P3和P6)，可选的添加可调谐脉冲展宽器、衰减器、偏振器，以模拟大气回波特性。这样在模拟实验时，一方面可以针对含有泄露光信号的回波脉冲进行处理，分析泄露光信号对距离检测的影响，另一方面为激光测距机如何处理泄露光提供实验平台。

本申请实施例的激光相干探测室内模拟装置能够在实验室内模拟收发一体式远距离激光相干测距中环形器带来的干扰信号，并将泄漏光干扰信号与目标回波光从光传播路径分开，实现返回光信号和泄露光信号分别控制，探究两者对最终信号处理结果的影响，特别是针对载有多普勒频移的回波信号处理问题，距离模糊问题等应用情况。

本申请实施例还提出一种收发一体式激光相干探测室内模拟方法，基于如前述的收发一体式激光相干探测室内模拟装置实现，包括如下步骤：

在室内模拟中，将第一光开关连接至光环形器，第二光开关连接至所述光环形器的输出；

启动激光相干探测，保持输入参数恒定，通过信号采集处理装置记录第一相干信号特征；

将所述第一光开关切换至第二分束器，第二光开关切换至第二合束器，遮挡接收镜头，保持输入参数恒定，调节光衰减器，使得信号采集处理装置也记录到第一相干信号特征。

在一些实施中，还包括打开接收镜头，将发射镜头和接收镜头对准待测目标，根据需要设置第二光调制器、延迟光纤以及偏振器。

在具体应用的室内模拟中，首先将第一光开关连接至A端，第二光开关连接至C端，启动激光相干探测系统，保持输入参数恒定，记录经探测器、信号采集处理器得到的相干信号特征为M。切换第一光开关至B端，第二光开关至D端。其中，B端光信号输出后进第二分束器，一部分作为模拟环形器泄露的光信号，另一部分经发射镜头照射目标。遮挡接收镜头，调节光衰减器，在激光相干探测系统恒定输入参数的条件下，使得信号处理器得到的信号特征同为相干信号特征M。

接着，去掉接收镜头遮挡，使接收镜头接收待测目标回波光。回波光信号经过第二光调制器(可选)，延迟光纤、偏振控制器、衰减器后与衰减后的发射光信号合束，从第二光开关的D端进入。其中，第二光调制器模拟实现因运动目标带来的多普勒频率偏移，延迟光纤用于延迟返回光信号模拟长距离传输，偏振控制器用于模拟回波光信号的偏振态，衰减器用于模拟光信号在应用环境中不同强度的衰减。

在本申实施例中，一是针对不同光环行器不同性能指标达到的不同相干特征信号M，可以利用衰减器1进行调制，实现光环行器的差异化模拟；

二是该装置实现两路信号分开控制，一路是携带光调制器1产生的调制光信号(即泄露光信号)，另一路是模拟远距离目标回波信号，实现了近目标条件下利用延迟线模拟远距离回波信号。

三是使用可调谐脉冲展宽器1实现模拟了极近距离处大气散射等原因引起的发射时刻环形器3端回波脉冲时间展宽。

四是光调制器2、可调谐脉冲展宽器2、延迟光纤、偏振器和衰减器2的联合使用，实现回波信号频率、脉宽、抵达时间、偏振、功率的控制，模拟真实环境中泄露光信号与回波信号对信号探测、数据采集处理的影响，可以成为收发一体式激光相干探测硬件设计实现、波形设计实现、算法设计实现的实验平台。

需要说明的是，在本申各实施例中，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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本申请的保护之内。

Claims (7)

1.一种收发一体式激光相干探测室内模拟装置，其特征在于，包括：

激光种子源，出射激光至第一分束器；

第一分束器，用以将激光分为两路，其中一路顺次经过第一光调制器后入射至被模拟的环形器，另一路入射至第一合束器；

模拟环形器，用以接收来自所述第二光放大器的激光来对待测目标进行探测，其出射激光经过所述第一合束器，所述第一合束器连接至信号采集处理装置，以在所述信号采集处理装置采集相干信号特征。

2.如权利要求1所述的收发一体式激光相干探测室内模拟装置，其特征在于，所述模拟装置包括第一光开关、被模拟的光环形器、第二分束器、第一衰减器、第二衰减器、延迟光纤、偏振器、第二合束器、第二光开关，其中：

所述第一光开关，其一端连接在所述第一光调制器的出射光路，其另一端用以在所述待模拟光环形器和所述第二分束器之间切换；

所述第二分束器，其一路输出连接至发射镜头，另一路输出连接至所述所述第一衰减器，所述第一衰减器，连接至所述第二合束器；

接收镜头接收待测目标的回波信号后顺次经过第二光调制器、所述延迟光纤、所述偏振器以及所述第二衰减器，入射至所述第二合束器；

所述第二光开关，其一端用以在所述第二合束器的输出和所述被模拟的光环形器的输出之间切换，另一端将光信号输出至所述第一合束器。

3.如权利要求2所述的收发一体式激光相干探测室内模拟装置，其特征在于，所述被模拟的环形器还包括第一可调斜脉冲展宽器和第二可调斜脉冲展宽器，其中所述第一可调斜脉冲展宽器设置在所述第二分束器和所述第一衰减器之间，所述第二可调斜脉冲展宽器设置在第二光调制器和所述延迟光纤之间。

4.如权利要求1所述的收发一体式激光相干探测室内模拟装置，其特征在于，所述第一光调制器的两侧分别设置有第一光放大器、第二光放大器，其中所述第二光放大器连接在所述第一光开关的一端。

5.如权利要求2所述的收发一体式激光相干探测室内模拟装置，其特征在于，还包括光信号调制装置，所述光信号调制装置连接在所述第二光开关的另一端，且所述光信号调制装置的输出通过第三光放大器连接至所述第一合束器。

6.一种收发一体式激光相干探测室内模拟方法，基于如权利要求1-4任一项所述的收发一体式激光相干探测室内模拟装置实现，包括如下步骤：

在室内模拟中，将第一光开关连接至被模拟的光环形器，第二光开关连接至所述光环形器的输出；

启动激光相干探测，保持输入参数恒定，通过信号采集处理装置记录第一相干信号特征；

将所述第一光开关切换至第二分束器，第二光开关切换至第二合束器，遮挡接收镜头，保持输入参数恒定，调节光衰减器，使得信号采集处理装置也记录到第一相干信号特征。

7.如权利要求6所述的收发一体式激光相干探测室内模拟方法，其特征在于，还包括打开接收镜头，将发射镜头和接收镜头对准待测目标，根据需要设置第二光调制器、延迟光纤以及偏振器。