CN216900932U - 全光纤无盲区偏振激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及大气参数探测领域，尤其是一种全光纤无盲区偏振激光雷达系统。该系统包括激光器，所述激光器用于发射激光束，所述激光束经大气返回后形成回波信号；望远镜，所述望远镜用于采集所述回波信号；第一光学器件，所述第一光学器件用于接收所述望远镜采集到的所述回波信号，并将所述回波信号分为第一偏振分量和第二偏振分量；第一光电探测器，所述第一光电探测器用于接收所述第一偏振分量，并将所述第一偏振分量转化为第一电检测信号；第二光电探测器，所述第二光电探测器用于接收所述第二偏振分量，并将所述第二偏振分量转化为第二电检测信号。

Description

全光纤无盲区偏振激光雷达系统

技术领域

本实用新型涉及大气参数探测领域，尤其是全光纤无盲区偏振激光雷达系统。

背景技术

激光雷达技术是探测气溶胶空间分布的一种有效手段，激光技术和电子学技术的发展使激光雷达在对流层气溶胶的探测高度、垂直跨度、空间分辨率、时间上的连续探测方面具有独特优势，是其他探测手段很难比拟的。然而受光学收发系统光路影响，激光雷达存在探测盲区，无法获得近场数据，且几何重叠因子的估算修订，也会带来较大误差，造成近地面或雷达近场场关键区域无准确测量结果。偏振激光雷达通过检测经大气气溶胶、云粒子作用后的大气回波信号，根据其偏振态变化信息，获得对粒子形态的判断，在大气气溶胶分类及其微物理特性反演、研究气溶胶和云相互作用等方面起着不可替代的重要作用。

近年来，国内外在降低激光雷达盲区和偏振接收方面进行了很多研究，如利用CCD探测方法获得近地面大气气溶胶分布，但其无法获得远场高分辨率信号。部分研究人员使用多望远镜分别接收近场及远场信号，再进行数据拼接，然而器件增加导致系统体积增大，且数据拼接过程引入了新的误差。在偏振测量方面，激光雷达通常设计为共轴或旁轴结构，系统盲区较大，而优化为同轴收发的系统，大气回波信号的垂直偏振分量和平行偏振分量为交替接收，其探测结果极易受大气变化的影响。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型提供一种全光纤无盲区偏振激光雷达系统，旨在克服现有技术中的不足。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种全光纤无盲区偏振激光雷达系统，包括：激光器，所述激光器用于发射激光束，所述激光束经大气返回后形成回波信号；望远镜，所述望远镜用于采集所述回波信号；第一光学器件，所述第一光学器件用于接收所述望远镜采集到的所述回波信号，并将所述回波信号分为第一偏振分量和第二偏振分量；第一光电探测器，所述第一光电探测器用于接收所述第一偏振分量，并将所述第一偏振分量转化为第一电检测信号；第二光电探测器，所述第二光电探测器用于接收所述第二偏振分量，并将所述第二偏振分量转化为第二电检测信号。本实用新型所提出的全光纤无盲区偏振激光雷达系统通过将回波信号分为第一偏振分量和第二偏振分量，且保证第一偏振分量和第二偏振分量都能够分别同时被第一光电探测器和第二光电探测器接收，提高了探测结果的准确性。

可选地，所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统还包括：第二光学器件，所述第二光学器件用于接收所述激光束，并将所述激光束传输至所述第一光学器件后由所述望远镜发射至大气中；以及所述第二光学器件用于接收所述第二偏振分量，并将所述第二偏振分量传输至所述第二光电探测器。通过采用本实用新型所提出的收发同轴设计可以尽可能地减小激光雷达系统盲区，有效地扩大了探测范围。

可选地，所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统还包括：第一滤波器，所述第一滤波器用于接收所述第一偏振分量，并将所述第一偏振分量滤波后传输至所述第一光电探测器。本实用新型通过采用第一滤波器可以降低干扰，提高探测的精度。

可选地，所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统还包括：第二滤波器，所述第二滤波器用于接收所述第二偏振分量，并将所述第二偏振分量滤波后传输至所述第二光电探测器。本实用新型通过采用第二滤波器可以降低干扰，提高探测的精度。

可选地，所述第一滤波器和所述第一滤波器分别包括光纤带通滤波器。本实用新型通过采用光纤带通滤波器实现了滤除带外干扰，通过带内信号的目的。

可选地，所述第二光学器件包括光纤环形器。本实用新型通过采用光纤环形器可以进一步简化系统构成，减小雷达系统体积。

可选地，所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统还包括：信号采集和控制模块，所述信号采集和控制模块分别与所述激光器、所述第一光电探测器和所述第二光电探测器通信连接；所述信号采集和控制模块分别用于控制所述激光器、所述第一光电探测器和所述第二光电探测器的工作状态。

可选地，所述信号采集和控制模块包括单光子计数卡，所述单光子计数卡分别用于根据所述第一电检测信号和所述第二电检测信号进行数字计数；门控装置，所述门控装置用于根据预设的时间控制所述激光器、所述第一光电探测器和所述第二光电探测的启停；嵌入式计算机，所述嵌入式计算机用于接收所述数字计数的结果，并根据所述数字计数的结果完成数据处理。本实用新型通过将单光子计数卡、门控装置和嵌入式计算机作为信号采集和控制模块提高了系统的集成度，减小体积。

可选地，所述第一光学器件包括保偏光纤分束器，本实用新型通过采用保偏光纤分束器对线偏振光具有较强的偏振保持能力，保证探测结果的准确性。

附图说明

图1为本实用新型全光纤无盲区偏振激光雷达系统实施例的系统框图。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本实用新型。在以下描述中，为了提供对本实用新型的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，未具体描述公知的电路，软件或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本实用新型至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。

请参见图1，本实用新型的实施例提供了一种全光纤无盲区偏振激光雷达系统，该系统包括激光器1，所述激光器1用于发射激光束，所述激光束经大气返回后形成回波信号；在本实施例中，所述激光器1发射激光束为偏振光；此外，所述激光束可以为任意波段的激光束，所述激光束的具体波段还可以根据大气气溶胶、云粒子进行选择。在一个或一些实施例中，所述激光器1的种类可以为气体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器的一种或多种的组合；所述激光器1的功率可以根据实际的使用场景灵活选择，在此就不进行限定。

在本实施例中，全光纤无盲区偏振激光雷达系统还包括望远镜4，所述望远镜4用于采集所述回波信号，在本实施例中，所述回波信号主要是由激光束经过大气气溶胶、云粒子返回后所得，也即是说回波信号也为激光信号。在一个或一些实施例中，所述望远镜4的种类可以为折射望远镜、反射望远镜以及折反射望远镜；当然，若其他类型的望远镜4可以适用于本实用新型所涉及到的激光雷达系统，也应涵盖在本实用新型的方案之中。

在本实施例中，全光纤无盲区偏振激光雷达系统还包括第一光学器件，所述第一光学器件用于接收所述望远镜4采集到的所述回波信号，并将所述回波信号分为第一偏振分量和第二偏振分量。其中，第一偏振分量与第二偏振分量分别为回波信号的垂直偏振分量和平行偏振分量。在一个可选的实施例中，所述第一光学器件包括保偏光纤分束器3，本实用新型通过采用保偏光纤分束器3对线偏振光具有较强的偏振保持能力，保证探测结果的准确性。更进一步地，所述保偏光纤分束器3包括a端、b端和c端；其中保偏光纤分束器3的a端位于所述激光器1的出光侧。

在本实施例中，全光纤无盲区偏振激光雷达系统还包括第一光电探测器和第二光电探测器；其中，所述第一光电探测器可以为S通道光电探测器601，所述第二光电探测器可以为P通道光电探测器602；所述S通道光电探测器601和所述P通道光电探测器602分别可以为基于脉冲甄别的单光子光电探测器。所述S通道光电探测器601与所述保偏光纤分束器3的b端相连，用于接收所述垂直偏振分量，并将所述垂直偏振分量转化为第二电检测信号；所述S通道光电探测器601用于接收所述垂直偏振分量，并将所述垂直偏振分量转化为第二电检测信号。

本实用新型所提出的全光纤无盲区偏振激光雷达系统通过将回波信号分为垂直偏振分量和平行偏振分量，保证了垂直偏振分量和平行偏振分量都能够分别同时被S通道光电探测器601和P通道光电探测器602接收，提高了探测结果的准确性。

在一个可选的实施例中，所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统还包括：第二光学器件，所述第二光学器件用于接收所述激光束，并将所述激光束传输至所述第一光学器件后由所述望远镜4发射至大气中；以及所述第二光学器件用于接收所述第二偏振分量，并将所述第二偏振分量传输至所述第二光电探测器。通过采用本实用新型所提出的收发同轴设计可以尽可能地减小激光雷达系统盲区，有效地扩大了探测范围。

在一个可选的实施例中，所述第二光学器件包括光纤环形器2；其中所述光纤环形器2也包括a端、b端和c端。光纤环形器2的a端与保偏光纤分束器3的c端相连，光纤环形器2的b端与P通道光电探测器602相连，光纤环形器2的c端与激光器1的出口(激光出射口)相连。

当全光纤无盲区偏振激光雷达系统发射激光束时：由激光器1发射激光束，激光束由光纤环形器2的c端射入，由光纤环形器2的a端射出；再由保偏光纤分束器3的c端射入，由保偏光纤分束器3的a端射出，最后通过望远镜4发射出去。需要进行说明的是，所述保偏光纤分束器3的a端可以位于望远镜4的光轴焦点上。

当全光纤无盲区偏振激光雷达系统接收回波信号时，由望远镜4采集回波信号，回波信号通过保偏光纤分束器3的a端射入，回波信号通过保偏光纤分束器3分为垂直偏振分量和平行偏振分量；该垂直偏振分量由保偏光纤分束器3的b端射出，最后由P通道光电探测器602接收；平行偏振分量由保偏光纤分束器3的c端射出，由光纤环形器2的a端射入，再经光纤环形器2的b端射出，最后由P通道光电探测器602接收；需要进行说明的是，所述由光纤环形器2出射的激光束的偏振方向与射入保偏光纤环形器2激光束的偏振方向一致。本实用新型通过采用光纤环形器2可以进一步简化系统构成。

在一个可选的实施例中，所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统还包括：第一滤波器和第二滤波器，所述第一滤波器用于接收所述第一偏振分量，并将所述第一偏振分量滤波后传输至所述第一光电探测器。所述第二滤波器用于接收所述第二偏振分量，并将所述第二偏振分量滤波后传输至所述第二光电探测器。更进一步地，所述第一滤波器和所述第一滤波器分别为光纤带通滤波器501和光纤带通滤波器502，其中，所述光纤带通滤波器的过滤波段可以根据实际探测需要进行选用，在此就不一一进行列举。本实用新型通过采用光纤带通滤波器实现了滤除带外干扰，通过带内信号的目的。

在一个可选的实施例中，所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统还包括：信号采集和控制模块7，所述信号采集和控制模块7分别与所述激光器1、所述第一光电探测器和所述第二光电探测器通信连接；所述信号采集和控制模块7分别用于控制所述激光器1、所述第一光电探测器和所述第二光电探测器的工作状态。

在一个可选的实施例中，所述信号采集和控制模块7包括单光子计数卡，所述单光子计数卡分别用于根据所述第一电检测信号和所述第二电检测信号进行数字计数。所述信号采集和控制模块7还包括门控装置，所述门控装置用于根据预设的时间控制所述激光器1、所述第一光电探测器和所述第二光电探测的启停。所述信号采集和控制模块7还包括嵌入式计算机，所述嵌入式计算机用于接收所述数字计数的结果，并根据所述数字计数的结果完成数据处理。本实用新型通过将单光子计数卡、门控装置和嵌入式计算机作为信号采集和控制模块7提高了系统的集成度，减小体积。

在一个可选的实施例中，所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统还包括电源8，所述电源8的输出端分别激光器1、信号采集和控制模块7、S通道光电探测器601和P通道光电探测器602的电源8输入端相连，通过所述电源8可以保证该雷达系统各组成部件的稳定工作。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种全光纤无盲区偏振激光雷达系统，其特征在于，包括：

激光器，所述激光器用于发射激光束，所述激光束经大气返回后形成回波信号；

望远镜，所述望远镜用于采集所述回波信号；

第一光学器件，所述第一光学器件用于接收所述望远镜采集到的所述回波信号，并将所述回波信号分为第一偏振分量和第二偏振分量；

第一光电探测器，所述第一光电探测器用于接收所述第一偏振分量，并将所述第一偏振分量转化为第一电检测信号；

第二光电探测器，所述第二光电探测器用于接收所述第二偏振分量，并将所述第二偏振分量转化为第二电检测信号。

2.根据权利要求1所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统，其特征在于：所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统还包括：

第二光学器件，所述第二光学器件用于接收所述激光束，并将所述激光束传输至所述第一光学器件后由所述望远镜发射至大气中；以及

所述第二光学器件用于接收所述第二偏振分量，并将所述第二偏振分量传输至所述第二光电探测器。

3.根据权利要求2所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统，其特征在于，所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统还包括：

第一滤波器，所述第一滤波器用于接收所述第一偏振分量，并将所述第一偏振分量滤波后传输至所述第一光电探测器。

4.根据权利要求3所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统，其特征在于，所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统还包括：

第二滤波器，所述第二滤波器用于接收所述第二偏振分量，并将所述第二偏振分量滤波后传输至所述第二光电探测器。

5.根据权利要求4所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统，其特征在于：所述第一滤波器和所述第一滤波器分别包括光纤带通滤波器。

6.根据权利要求2所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统，其特征在于：所述第二光学器件包括光纤环形器。

7.根据权利要求2所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统，其特征在于，所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统还包括：

信号采集和控制模块，所述信号采集和控制模块分别与所述激光器、所述第一光电探测器和所述第二光电探测器通信连接；

所述信号采集和控制模块分别用于控制所述激光器、所述第一光电探测器和所述第二光电探测器的工作状态。

8.根据权利要求7所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统，其特征在于，所述信号采集和控制模块包括

单光子计数卡，所述单光子计数卡分别用于根据所述第一电检测信号和所述第二电检测信号进行数字计数；

门控装置，所述门控装置用于根据预设的时间控制所述激光器、所述第一光电探测器和所述第二光电探测的启停；

嵌入式计算机，所述嵌入式计算机用于接收所述数字计数的结果。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述全光纤无盲区偏振激光雷达系统，其特征在于：所述第一光学器件包括保偏光纤分束器。

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