一種多發單收望遠鏡陣列的全光纖激光雷達的制作方法

本發明涉及激光雷達領域，特別是涉及一種多發單收望遠鏡陣列的全光纖激光雷達。

背景技術：

隨著光學技術的發展，激光雷達由于其方向性好、時間分辨率和空間分辨率高、精度高、非接觸測量等優勢逐漸取代了傳統雷達，廣泛應用于測風、測速、成像、污染物監測、測溫、氣溶膠光學特性探測等領域，成為雷達領域的翹楚。

激光雷達是以發射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統，主要由激光發射機、光學接收機、轉臺和信息處理系統等組成。通過向目標發射探測信號(激光束)，然后將接收到的從目標反射回來的信號(目標回波)與發射信號進行比較，作適當處理后，就可獲得目標的有關信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等參數，從而對飛機、導彈等目標進行探測、跟蹤和識別。

多普勒激光雷達以其高分辨率、高精度、大探測范圍、能提供晴空條件下的三維風場信息能力被著重應用于天氣預報、氣候研究模型和提高軍事環境預報領域，用于測量大氣風速。多普勒激光雷達利用光的多普勒效應，測量激光光束在大氣中傳輸的回波信號的多普勒頻移來反演空間風速的分布。多普勒激光雷達的探測方式主要有相干(外差)探測以及非相干(直接)探測。相干探測測量的是回波信號與本振光(發射激光光束信號)之間的差頻信號，而直接探測是通過接收信號與發射激光能量信號的相對能量變化。

由于直接探測主要針對兩束光信號的能量進行檢測，可見光束能量對于探測精度是非常重要的。現有技術中，由于受到非線性效應(例如受激布里淵散射)的影響，激光器出射的功率有限，商用的激光器的平均功率僅為十幾瓦量級，遠遠達不到實現大氣探測的高精度的要求下的發射功率需求。可見，如何提高激光的發射功率，是本領域技術人員亟待解決的問題。

技術實現要素：

本發明實施例的目的是提供一種全光纖雷達，提高了激光發射功率，進而提高了激光雷達的時間分辨率、空間分辨率，加大了探測距離范圍，提高了激光雷達的探測精度。

為解決上述技術問題，本發明實施例提供以下技術方案：

本發明實施例提供了一種多發單收望遠鏡陣列的全光纖激光雷達，包括：

光源模塊、分光模塊、發射接收望遠鏡模塊以及采集模塊；

其中，所述光源模塊用于出射預設波長的激光光束；

所述分光模塊用于將所述激光光束分為第一激光光束以及第二激光光束，所述第一激光光束入射至所述發射接收望遠鏡模塊，所述第二激光光束作為參考標定光束；

所述發射接收望遠鏡模塊用于將所述第一激光光束經發射望遠鏡陣列出射，并由接收望遠鏡接收與大氣相互作用后的大氣回波信號；所述發射望遠鏡陣列為由至少兩個發射望遠鏡組成的陣列；

所述采集模塊用于對所述大氣回波信號以及所述參考標定光束進行采集。

優選的，所述光源模塊為波長為1.5μm、單頻、窄脈寬激光光源。

優選的，所述發射接收望遠鏡模塊包括：分光器、EDFA陣列、發射望遠鏡陣列以及接收望遠鏡；

其中，所述分光器用于將所述第一激光光束分為多束，入射至所述EDFA陣列中，經所述EDFA陣列出射的多束激光光束一一對應入射至所述發射望遠鏡陣列中，出射激光光束與大氣相互作用后，由所述接收望遠鏡進行接收。

優選的，所述EDFA陣列中各個EDFA采用的種子光源為同一光源。

優選的，所述接收望遠鏡為單個，所述發射望遠鏡陣列中的各發射望遠鏡圍繞所述接收望遠鏡分布。

優選的，還包括：

衰減器，用于對所述第二激光光束進行衰減，衰減后的光束作為所述參考標定光束。

優選的，還包括：

窄帶光纖布拉格光柵，用于對接收到的所述大氣回波信號中的背景噪聲進行濾除。

優選的，所述采集模塊包括：

光纖合束器、光信息提取單元、單光子探測器以及采集卡；

其中，所述光纖合束器用于將所述參考標定光束以及大氣回波信號進行合并；所述光信息提取單元用于對光信息進行提取；所述單光子探測器用于對提取信號進行單光子探測，由所述采集卡進行采集。

優選的，所述單光子探測器為InGaAs探測器、上轉換單光子探測器或超導納米線單光子探測器。

優選的，還包括：

計算機，用于接收所述采集模塊采集到的大氣回波信號，并根據所述參考標定光束對所述大氣回波信號進行反演及顯示。

本發明實施例提供了一種多發單收望遠鏡陣列的全光纖激光雷達，包括光源模塊、分光模塊、發射接收望遠鏡模塊以及采集模塊；通過將激光光束分為兩束，其中一束光作為參考標定光束，另一束光用于與大氣相互作用的信號光；將該信號光發射至望遠鏡陣列出射，由接收望遠鏡接收與大氣相互作用后的大氣回波信號；并對大氣回波信號以及參考標定光束進行采集。

本申請技術方案提供的激光雷達系統穩定、結構緊湊、全光纖鏈接，由于采用主振蕩功率放大結構，即采用激光發射望遠鏡陣列，從而提高了激光出射功率；由于可對各望遠鏡的束腰位置進行優化設計，從而提高了探測的信噪比，實現了遠距離探測；此外，由于提高了激光器的發射功率，故可提高激光雷達的時間分辨率、空間分辨率，而且提高了激光雷達的探測精度。

附圖說明

為了更清楚的說明本發明實施例或現有技術的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的多發單收望遠鏡陣列的全光纖激光雷達在一種具體實施方式的結構框圖；

圖2為本發明實施例提供的多發單收望遠鏡陣列的全光纖激光雷達在另一種具體實施方式的結構框圖；

圖3為本發明實施例提供的一個示例性應用場景的系統結構示意圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本申請的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于區別不同的對象，而不是用于描述特定的順序。此外術語“包括”和“具有”以及他們任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含。例如包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統、產品或設備沒有限定于已列出的步驟或單元，而是可包括沒有列出的步驟或單元。

請參閱圖1，圖1為本發明實施例提供的一種具體實施方式下多發單收望遠鏡陣列的全光纖激光雷達的結構框圖。

多發單收望遠鏡陣列的全光纖激光雷達可包括光源模塊1、分光模塊2、發射接收望遠鏡模塊3以及采集模塊4。

光源模塊1用于出射預設波長的激光光束。優選的，激光光束的波長為1.5μm，相比采用355nm、532nm和1064nm波段的激光雷達，1.5μm波段的激光雷達具有如下優點：1.5μm為光通訊波段，由于目前光通訊技術的發展較為成熟，故光通訊器件成熟、穩定和成本低；從300nm至10μm波段，1.5μm激光的人眼允許曝光功率最大，對人眼危害較小；光纖在1.5μm波段衰減小(＜0.3dB/km)，可實現激光雷達的集成化；波長越長對鏡片平整度的要求越低，受大氣湍流影響越小；隨著探測技術的發展，各種探測器在1.5μm波段的性能逐步提高，尤其是超導納米線單光子探測器，其在1.5μm波段可實現量子效率＞90％，暗計數＜1Hz，計數率100MHz的探測。當然，也可采用其他波長段的激光光束，這均不影響本申請技術方案的實現。

在一種具體的實施方式中，光源模塊1為波長為1.5μm、單頻、窄脈寬激光光源。當然，也可根據用戶或實驗人員的需求進行選擇其他類型的光源，本發明對此不做任何限定。

分光模塊2用于將激光光束分為兩束，即第一激光光束以及第二激光光束，第一激光光束入射至發射接收望遠鏡模塊，用于與大氣發生作用，第二激光光束作為參考標定光束。

分光模塊2可采用分光器件進行實現將光束分離使其各自按照預設的光路進行傳輸，分光器件與激光器相連，優選的，分光模塊可為光纖分束器，當然，也可采用其他分光器件，例如光分束器、偏振分束器等，具體采用哪一種類型，相關技術人員可根據實際需求做選擇，本發明并對此做任何限定。

發射接收望遠鏡模塊3用于將第一激光光束經發射望遠鏡陣列出射，并由接收望遠鏡接收與大氣相互作用后的大氣回波信號；發射望遠鏡陣列為由至少兩個發射望遠鏡組成的陣列。

具體的，發射接收望遠鏡模塊3可包括：

分光器31、EDFA陣列(摻鉺光纖放大器)32、發射望遠鏡陣列33以及接收望遠鏡34。

分光器31與上述分光器件相連，用于將第一激光光束分為多束，然后入射至EDFA陣列中。優選的，分光模塊可為光纖分束器，當然，也可采用其他分光器件，例如光分束器、偏振分束器等，具體采用哪一種類型，相關技術人員可根據實際需求做選擇，本發明并對此做任何限定。

EDFA是對信號光放大的一種有源光器件，可實現長距離、大容量、高速率的光纖通信。EDFA陣列32與上述分光器相連，用于將分為多束的第一激光光束經EDFA陣列出射的每一束一一對應入射至發射望遠鏡陣列中。為了保證各出射激光光束的中心頻率一樣，EDFA陣列中各個EDFA采用的種子光源為同一光源。

需要說明的是，EDFA陣列與發射望遠鏡陣列相對應，EDFA陣列的數量使用者或實驗人員可根據需要出射的激光功率和探測目標來確定。

發射望遠鏡陣列33與EDFA陣列32相連，用于一一接收與EDFA陣列32對應出射的激光光束。通過采用發射望遠鏡陣列，可實現高的距離分辨率、高時間分辨率、長探測距離和高測量精度的風場探測。

接收望遠鏡34用于接收發射望遠鏡陣列33出射激光光束與大氣相互作用后的回波信號，該回波信號攜帶多普勒頻移信息。接收望遠鏡34可為單個，也可為多個組合，但是多個組合接收到的信息最終還需量化為一個信息，這無疑會增大數據處理量與工作量，故優選的，接收望遠鏡34為單個。

需要說明的是，發射望遠鏡陣列33中的各發射望遠鏡圍繞接收望遠鏡34分布，可通過對各發射望遠鏡的束腰位置進行優化設計，獲得高的信噪比，從而實現長距離(遠距離)探測。

可選的，在本實施例的一些實施方式中，發射接收望遠鏡模塊3例如還可以包括：

延時光纖35，分別與發射望遠鏡陣列33以及環形器36相連，用于對回波信號進行延時，為了使回波信號可以被后續操作中采集裝置或預處理機接收，需要識別回波信號的頻率，并調諧振蕩器，將要輸入的信號轉化為適用本系統的頻率，在這段識別轉化時間內就需要將回波信息進行保存，延時光纖36可實現回波信號的短暫保存，有利于將回波信號全部采集，有利于提高探測精度。

需要說明的是，如果系統中沒有環形器36，延時光纖35可直接與后續器件相連。

在本實施例的另一些實施方式中，發射接收望遠鏡模塊3例如可包括：

環形器36，分別與發射望遠鏡陣列33、接收望遠鏡34以及延時光纖35相連，主要用于對多路信號進行轉換，優選的，可采用光纖環形器，當然也可采用其他器件，只要可以起到環形器的作用即可，本發明實施例對此并不做任何限定。

還可包括：

濾波器37，濾波器37與環形器36相連，用于對接收到的所述大氣回波信號中的背景噪聲進行濾除。由于在激光器發射激光難免會摻有非預設波長的激光光束的雜光、在激光束傳輸過程或在進行光放大時，系統不可避免也會混有其他與有用信號無關的一切干擾，故需要進行濾除，以獲得較為純凈的光束，有利于提高探測精度。

優選的，濾波器37可為窄帶光纖布拉格光柵，窄帶光纖布拉格光柵的中心波長和種子光源(光源模塊的光源)的中心波長可一致。當然，也可采用其他類型的濾波器，例如高通濾波器、低通濾波器、數字濾波器，具體采用哪一種類型，相關技術人員可根據實際需求做選擇，這均不影響本發明實施例提供的技術方案的實現。

需要說明的是，如果系統中沒有環形器36，濾波器37可直接與延時光纖35相連；如果沒有延時光纖35，則直接與發射望遠鏡陣列33或接收望遠鏡34相連。

采集模塊4用于對大氣回波信號以及參考標定光束進行采集，可包括：

光纖合束器41、光信息提取單元42、單光子探測器43以及采集卡44。

合束器41，分別與分光模塊2、環形器36或延時光纖35或發射望遠鏡陣列33或接收望遠鏡34相連，將所述參考標定光束以及大氣回波信號進行合并。

優選的，合束器41可為光纖合束器，當然，也可為其他任何類型的合束器件，這均不影響本申請技術方案的實現。

需要說明的是，若環形器36或延時光纖35在系統中存在，則合束器38與其相連；若不存在，則與發射望遠鏡陣列33或接收望遠鏡34相連。

光信息提取單元42與合束器41相連，用于對光信息進行提取。例如對大氣風速、溫度、密度、氣體成分和偏振特性的提取。當然，也可對其他信號進行提取。

單光子探測器43與光信息提取單元42相連，用于對光信息提取單元出射的信息進行提取，并進行單光子探測。

在一種優選的實施方式中，單光子探測器可為InGaAs探測器、上轉換單光子探測器或超導納米線單光子探測器。由于本發明實施例采用高出射功率的激光，因此單光子探測器優選為高計數率、高量子效率和低暗計數的超導納米線單光子探測器。當然，也可采用其他探測器，例如光電探測器，本發明并不對此做任何的限定。

采集卡44與單光子探測器43相連，用于對單光子探測器探測的信號進行采集。在一種優選的實施方式中，采集卡44可選擇A/D采集卡，當然，也可采用其他類型的采集卡，具體采用哪一種類型，相關技術人員可根據實際需求做選擇，本發明并對此不做任何限定。

由上可知，本發明實施例提供的雷達系統穩定、結構緊湊、全光纖鏈接，由于采用主振蕩功率放大結構，即采用激光發射望遠鏡陣列，從而提高了激光出射功率；由于可對各望遠鏡的束腰位置進行優化設計，從而提高了探測的信噪比，實現了遠距離探測；此外，由于提高了激光器的發射功率，故可提高激光雷達的時間分辨率、空間分辨率，而且提高了激光雷達的探測精度。

可選的，在本實施例的一些實施方式中，請參閱圖2，例如還可以包括：

衰減器5，分別與分光模塊2、合束器38相連，用于對第二激光光束進行衰減，衰減后的光束作為參考標定光束。

衰減器5用于通過模擬光束在大氣中的衰減過程對第二激光光束(參考標定光束)進行衰減。通過對參考標定光束的衰減處理，使得參考標定光束與回波信號的傳輸過程經歷的衰減相類似，有利于兩束光的相干，有利于獲得更加準確的多普勒頻移信息，從而有利于提高探測精度。

在一種優選的實施方式中，衰減器5可選擇連續可調衰減器。當然，也可采用其他類型的衰減器，具體采用哪一種類型，相關技術人員可根據實際需求做選擇，本發明并對此不做任何限定。

需要說明的是，如果沒有合束器41，可與光信息提取單元42相連。在沒有衰減器的情況下，第二激光光束將經分光模塊2發射到采集模塊4或合束器41；但是在有衰減器5時，第二激光光束將經分光模塊2發射到衰減器5，經過衰減器5進行衰減后發射至采集模塊4或合束器41。

可選的，在本實施例的一些實施方式中，請參閱圖2，例如還可以包括：

計算模塊6，用于接收采集模塊采集到的大氣回波信號，并根據參考標定光束對大氣回波信號進行反演及顯示。

計算模塊可為計算機，由采集卡采集到的信號發送到計算機進行處理，例如以大氣氣溶膠作為探測物，用所述激光雷達系統可實現對大氣風速的測量。

需要說明的是，除了對探測目標的速度進行計算外，還可以對其他關于探測目標的信息進行處理，例如成像、測溫等等。

通過增加計算模塊，可實現根據采集信號進行反演與顯示，輸出或獲得探測目標的相關信息，使整體系統更具有實際意義。

為了更好的理解本申請技術方案的思想與原理，以下以具體的一種應用場景進行對本發明實施例所提供的技術方案進行闡述，請參閱圖3，圖3為該示意性例子的系統框圖。

由圖3可知，該多發單收望遠鏡陣列的全光纖激光雷達系統可包括1.5μm脈沖的種子光源1、第一光纖分束器2、衰減器3、第二光纖分束器4、EDFA陣列5、多發單收望遠鏡陣列6、延時光纖7、第一光纖環形器8、窄帶光纖布拉格光柵9、光纖合束器10、光信息提取單元11、單光子探測器12、采集卡13、計算機14。

1.5μm脈沖種子光源1被第一光纖分束器2分成兩束光束，一束光束被衰減器3衰減到單光子水平后接入光纖合束器10，用作參考標定光束，另外一束光束被第二光纖分束器分成N束光束后接入EDFA陣列5。EDFA陣列5出射的N束激光光束接入多發單收望遠鏡陣列6，當激光與大氣相互作用后，攜帶有多普勒頻移信息的大氣回波信號經多發單收望遠鏡陣列6的接收望遠鏡接收，回波信號先經延時光纖7后再經過第一光纖環形器8和窄帶光纖布拉格光柵9。從第一光纖環形器8出射的回波信號接入光纖合束器10。參考標定光束和大氣回波信號先后進入光信息提取單元11進行光學信息提取。從光信息提取單元11出射的信號由單光子探測器12探測后，再由采集卡13采集，最后計算機14負責各器件的協同工作以及反演和顯示。

本發明實施例經過望遠鏡陣列實現了1.5μm脈沖種子光源的功率放大，系統穩定、結構緊湊、全光纖鏈接，提高了激光雷達的時間分辨率、空間分辨率，提高了激光雷達的探測精度，實現了遠距離探測。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其它實施例的不同之處，各個實施例之間相同或相似部分互相參見即可。對于實施例公開的裝置而言，由于其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。

專業人員還可以進一步意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、計算機軟件或者二者的結合來實現，為了清楚地說明硬件和軟件的可互換性，在上述說明中已經按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執行，取決于技術方案的特定應用和設計約束條件。專業技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本發明的范圍。

結合本文中所公開的實施例描述的方法或算法的步驟可以直接用硬件、處理器執行的軟件模塊，或者二者的結合來實施。軟件模塊可以置于隨機存儲器(RAM)、內存、只讀存儲器(ROM)、電可編程ROM、電可擦除可編程ROM、寄存器、硬盤、可移動磁盤、CD-ROM、或技術領域內所公知的任意其它形式的存儲介質中。

以上對本發明所提供的一種多發單收望遠鏡陣列的全光纖激光雷達進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。