專利名稱：一種激光雷達中全光纖背景光壓制和近場信號動態(tài)范圍抑制技術(shù)的光學探測組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光雷達技術(shù)，特別涉及一種激光雷達中全光纖背景光壓制和近場信號動態(tài)范圍抑制技術(shù)的光學探測組件。
背景技術(shù)：
激光雷達是傳統(tǒng)雷達技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。隨著激光技術(shù)日新月異的發(fā)展，先進的信號探測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用，激光雷達以它的高測量精度、精細的時間和空間分辨率以及大的探測跨度而成為一種重要的主動遙感工具，在遙測大氣風場、溫度場、湍流、大氣成分和后向散射系數(shù)等方面，顯示出了特有的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿?。隨著高技術(shù)裝備的研究與應(yīng)用，對低層乃至中高層大氣參數(shù)的探測呈現(xiàn)出迫切的態(tài)勢，國內(nèi)外缺乏中高層(20-200km)大氣參數(shù)探測數(shù)據(jù)，激光雷達是這個探測范圍內(nèi)先進的技術(shù)手段之一，是目前唯一能實現(xiàn)全球大氣參數(shù)探測的有效工具。為了提高激光雷達的探測高度，在光學望遠鏡口徑一定的前提下，增大激光雷達的發(fā)射功率是有效的方法之一，而低層大氣散射回波較強，探測器容易飽和，致使低層大氣無法探測，目前解決這一難題的方法之一是分視場法測量；另一種方法是高低空分層探測， 即使用分束片將大氣后向散射光分成兩束(一束較弱占總光強的30%，一束較強占總光強的70% )，探測低層大氣時，讓較弱的一束光進入低空探測器；探測高層大氣時，讓較強的一束光進入高空探測器。這兩種方法的缺點是接收機光路復雜，成本高，光信號利用率低， 特別是探測高層大氣時進入探測器的光信號強度減弱，降低了探測精度和高度。中高層激光雷達大氣探測，回波信號較弱，屬于弱信號甚至微弱信號檢測，背景噪聲降低了信噪比， 甚至會引起探測器的飽和，致使激光雷達無法工作，背景光電流引起的散粒噪聲使探測器靈敏度降低，濾除背景噪聲對弱信號檢測非常重要，一直以來是一項技術(shù)難點。目前激光雷達中，大多數(shù)的背景光抑制都是通過空間光學器件實現(xiàn)，空間光路結(jié)構(gòu)損耗大，穩(wěn)定性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了 1)采用FBG背景濾波器濾除背景噪聲，F(xiàn)BG背景濾波器是窄帶、低損耗的透射式濾波器，目前帶寬為0. lnm，峰值透射率達到99%，回波信號經(jīng)FBG背景濾波器，中心頻率為％的光信號透過率為99%，其它頻段的光信號被濾除，有效的抑制了背景光，大大降低了成本；幻采用光強調(diào)制器對信號強度進行調(diào)制，光強調(diào)制器能夠根據(jù)回波信號的特征主動智能電光調(diào)制激光雷達信號的動態(tài)范圍，可以在保障遠程信號極大信噪比的前提下，抑制近場信號，避免光電探測器近場信號飽和，提高激光出射功率及遠場目標的回波功率，實現(xiàn)高低空一體化探測。為達到上述目的，本發(fā)明采用技術(shù)方案如下一種激光雷達中全光纖背景光壓制和近場信號動態(tài)范圍抑制技術(shù)的光學探測組件，該光學探測組件包括接收望遠鏡1、FBG背景濾波器2、光強調(diào)制器3、光學接收機4、溫度控制器5、任意波形發(fā)生器6以及控制計算機7，所述的光學探測組件在激光雷達的接收望遠鏡1和光學接收機4之間，激光雷達的回波信號由接收望遠鏡1通過光纖傳輸?shù)紽BG背景濾波器2，再將FBG背景濾波器2的輸出信號通過光纖傳輸?shù)焦鈴娬{(diào)制器3，然后將光強調(diào)制器3的輸出信號傳輸至光學接收機4，其中，F(xiàn)BG背景濾波器2，其封裝在一個恒溫溫箱內(nèi)，溫度控制器5始終使FBG背景濾波器2保持在恒定溫度下工作，防止了中心工作波長的漂移，然后將FBG背景濾波器2安裝在精密平移臺上，由壓電陶瓷控制其應(yīng)力分布，確保峰值透過率的波長位置與工作波長重疊， 該FBG背景濾波器2是窄帶、低損耗的透射式濾波器，帶寬為0. lnm，透過光信號的中心頻率為％，峰值透過率達到99%，回波信號經(jīng)FBG背景濾波器2，中心頻率為％的回波信號透過率為99%，其它頻段的回波信號的透過率小于1%，其它頻段的回波信號被有效濾除，即極大限度地抑制了背景光；光強調(diào)制器3，濾除了背景噪聲的回波信號輸出至光強調(diào)制器3，控制計算機7根據(jù)光學接收機4輸出的回波信號強度隨時間的變化生成反饋電壓信號，任意波形發(fā)生器6 根據(jù)所述反饋電壓信號控制輸入光強調(diào)制器3的調(diào)制電壓V，智能主動抑制可能飽和的信號；該光強調(diào)制器3內(nèi)部是具有M-Z干涉儀型電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)的光強調(diào)制器，其中一臂上加調(diào)制電壓V;探測低層大氣時，較強的后向散射光入射至光強調(diào)制器3，通過調(diào)節(jié)調(diào)制電壓V 使加了調(diào)制電壓的一臂的回波信號的相位改變等于異相的半波長，此時兩臂的回波信號發(fā)生相消干涉，輸出至光學接收機4的回波信號的強度達到最小，避免了光學接收機4的飽和；探測高層大氣時，較弱的后向散射光入射至光強調(diào)制器3，通過調(diào)節(jié)調(diào)制電壓V使加了調(diào)制電壓的一臂的回波信號的相位改變等于波長的整數(shù)倍，此時兩臂的回波信號發(fā)生相長干涉，輸出至光學接收機4的光信號的強度達到最大。進一步的，所述FBG背景濾波器2中光纖光柵溫度響應(yīng)系數(shù)為0. 01nm/°C，光纖光柵應(yīng)力系數(shù)為1.26 Ipm/μ ε。進一步的，所述光強調(diào)制器3半波電壓為VJI，調(diào)制速度為40GHz。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于1)本發(fā)明采用FBG背景濾波器濾除背景噪聲，關(guān)鍵在于使用溫度補償和光纖布拉格光柵軸向應(yīng)力控制，使得光纖光柵的峰值透過率位置正好在激光雷達的工作波長處。FBG 背景濾波器是窄帶、低損耗的透射式濾波器，目前帶寬為0. lnm，峰值透射率達到99%，回波信號經(jīng)FBG背景濾波器，中心頻率為υ ο的光信號透過率為99%，其它頻段的光信號被濾除，有效的抑制了背景光，實現(xiàn)全天時探測；2)本發(fā)明采用光強調(diào)制器對激光雷達接收光信號強度進行調(diào)制，光強調(diào)制器能夠根據(jù)回波信號的特征主動電光調(diào)制激光雷達信號的動態(tài)范圍，可以在保障遠程信號極大信噪比的前提下，抑制近場信號，避免光電探測器近場信號飽和，提高激光出射功率及遠場目標的回波功率，實現(xiàn)高低空一體化探測；3)本發(fā)明采用全光纖連接，提高了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性；4)本發(fā)明大大降低了光路成本，且光路系統(tǒng)較簡單，有利于光路調(diào)節(jié)。


圖1. 一種激光雷達中全光纖背景光壓制和近場信號動態(tài)范圍抑制技術(shù)的光學探測組件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2.本發(fā)明的FBG背景濾波器的構(gòu)造圖；圖3.本發(fā)明提供的FBG背景濾波器的工作原理圖；圖4.本發(fā)明的光強調(diào)制器內(nèi)部M-Z干涉儀型電光調(diào)制器原理圖；圖5.本發(fā)明的光強調(diào)制器工作原理圖；圖6.本發(fā)明的光強調(diào)制器信號調(diào)制過程示意圖。其中，1、接收望遠鏡；2、FBG背景濾波器；3、光強調(diào)制器；4、光學接收機；5、溫度控制器；6、任意波形發(fā)生器；7、控制計算機。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。圖1為本發(fā)明提供的一種激光雷達中全光纖背景光壓制和近場信號動態(tài)范圍抑制技術(shù)的光學探測組件的結(jié)構(gòu)示意圖，該光學探測組件包括接收望遠鏡1、FBG背景濾波器2、光強調(diào)制器3、光學接收機4、溫度控制器5、任意波形發(fā)生器6以及控制計算機7。具體的，大氣分子散射信號經(jīng)接收望遠鏡1至FBG背景濾波器2，F(xiàn)BG背景濾波器2 是窄帶、低損耗的透射式濾波器，目前帶寬為0. lnm，峰值透射率達到99%，回波信號經(jīng)FBG 背景濾波器2，中心頻率為％的光信號透過率為99%，其它頻段的光信號被濾除，有效地抑制了背景光。圖2為FBG背景濾波器結(jié)構(gòu)圖，F(xiàn)BG背景濾波器2封裝在一個恒溫溫箱內(nèi)。 根據(jù)溫度影響系數(shù)，計算溫度穩(wěn)定指標。然后將FBG背景濾波器安裝在精密平移臺上，由壓電陶瓷控制其應(yīng)力分布，確保峰值透過率的波長位置與工作波長重疊。光纖光柵溫度響應(yīng)系數(shù)0. 01nm/°C，若恒溫室的溫度誤差為0. 1°C，那么光纖光柵中心波長漂移小于0. OOlnm0 溫度控制器5始終使FBG背景濾波器2保持在恒定溫度下工作，防止了中心工作波長的漂移。然后將FBG背景濾波器2安裝在精密平移臺上，由壓電陶瓷控制其應(yīng)力分布，確保峰值透過率的波長位置與工作波長重疊。光纖光柵應(yīng)力系數(shù)為1^61ρπι/μ ε，即光纖軸向應(yīng)力每改變百萬分之一，F(xiàn)BG背景濾波器2中心波長移動1. ^lpm,調(diào)節(jié)壓電陶瓷平移臺的驅(qū)動電壓，沿著光纖光柵軸線方向施加應(yīng)力，可以精確調(diào)節(jié)光纖光柵的峰值透過率對應(yīng)的波長。圖3為本發(fā)明提供的FBG背景濾波器的工作原理圖，帶寬為0. Inm,中心波長為 λ 0的光信號透過FBG背景濾波器繼續(xù)傳輸，峰值透過率達到99%，其它波長的光被濾除。濾除了背景噪聲的光信號經(jīng)光纖耦合至光強調(diào)制器3，光強調(diào)制器3半波電壓為 ，調(diào)制速度可達40GHz，控制計算機7根據(jù)光學接收機4輸出的回波信號強度隨時間的變
化，生成反饋電壓信號。任意波形發(fā)生器6根據(jù)反饋電壓信號控制輸入光強調(diào)制器3的調(diào)制電壓V，智能主動抑制可能飽和的信號。探測低層大氣時，較強的后向散射光入射至光強調(diào)制器，光信號較強(近距離)， 由控制計算機7向任意波形發(fā)生器6發(fā)出指令，輸入電光強度的調(diào)制電壓接近Vy此時M-Z 干涉儀調(diào)制一臂中的光信號的相位發(fā)生改變，此時兩臂的光信號干涉相消，光透過率較小， 抑制了近場強回波信號，避免了光學接收機的飽和；探測高層大氣時，較弱的后向散射光入射至光強調(diào)制器，光信號較弱(遠距離)，由控制計算機7向任意波形發(fā)生器6發(fā)出指令，輸入電光強度的調(diào)制電壓接近Vh，此時M-Z干涉儀的調(diào)制臂中的光信號的相位改變，光信號干涉相長，光透過率接近1。圖4為本發(fā)明提供的光強調(diào)制器內(nèi)部M-Z干涉儀型電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖，其具有低的光損耗和高的光功率處理能力(高達400mw)，與半導體調(diào)制器相比，有更寬的調(diào)制帶寬、零或可調(diào)諧的啁啾以及對溫度不敏感性，在未來光纖通信系統(tǒng)中，它是一個非常有前景的器件，工作原理是在M-Z干涉儀電光調(diào)制器一臂上加調(diào)制電壓v，通過智能調(diào)節(jié)調(diào)制電壓ν改變通過該臂光信號的相位，兩臂光信號在輸出端發(fā)生干涉，使輸出光信號的光強發(fā)生改變，實現(xiàn)光信號強度的調(diào)制。圖5為本發(fā)明提供的光強調(diào)制器的工作原理圖，圖中給出了光強調(diào)制器的透過率與調(diào)制電壓的關(guān)系，透過率曲線是調(diào)制電壓的正弦函數(shù)，νπ是半波電壓，Vh是透過率最大為 1時的調(diào)制電壓，Vl是透過率最小為0時的調(diào)制電壓。圖6為本發(fā)明提供的光強調(diào)制器的信號調(diào)制流程圖，其中(1)為大氣后向散射光信號，曲線1的光信號強度最大值達到了光學接收機飽和閾值，曲線2的光信號強度超出了光學接收機飽和閾值，Is為光學接收機的飽和閾值，陰影部分為光信號飽和區(qū)域，( 為任意波形發(fā)生器根據(jù)反饋電壓控制輸入光強調(diào)制器的調(diào)制電壓，( 為經(jīng)調(diào)制電壓調(diào)制后光強調(diào)制器的傳遞函數(shù)曲線，(4)為經(jīng)光強調(diào)制器調(diào)制后的大氣后向散射光信號。綜上所述，所述的激光雷達中全光纖背景光壓制和近場信號動態(tài)范圍抑制技術(shù)， 采用全光纖連接方式提高了系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，有效地抑制了背景光，實現(xiàn)全天時探測，提高了激光雷達探測精度和探測能力，實現(xiàn)了高低空一體化探測，大大降低了光路成本，且光路系統(tǒng)較簡單，有利于光路調(diào)節(jié)。實施例下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明保護范圍。1)如圖1所示，大氣分子散射信號經(jīng)接收望遠鏡1至FBG背景濾波器2，F(xiàn)BG背景濾波器2是窄帶、低損耗的透射式濾波器，目前帶寬為0. lnm，峰值透射率達到99%，回波信號經(jīng)FBG背景濾波器2，中心頻率為υ C1的光信號透過率為99%，其它頻段的光信號被濾除， 有效地抑制了背景光。FBG背景濾波器2封裝在一個恒溫溫箱內(nèi)。根據(jù)溫度影響系數(shù)，計算溫度穩(wěn)定指標。然后將FBG背景濾波器2安裝在精密平移臺上，由壓電陶瓷控制其應(yīng)力分布，確保峰值透過率的波長位置與工作波長重疊。光纖光柵應(yīng)力系數(shù)為1.261pm/μ ε，即光纖軸向應(yīng)力每改變百萬分之一，F(xiàn)BG背景濾波器2中心波長移動1. ^lpm,調(diào)節(jié)壓電陶瓷平移臺的驅(qū)動電壓，沿著光纖光柵軸線方向施加應(yīng)力，可以精確調(diào)節(jié)光纖光柵的峰值透過率對應(yīng)的波長。2)濾除了背景噪聲的光信號經(jīng)光纖耦合至光強調(diào)制器3，光強調(diào)制器3半波電壓為，調(diào)制速度可達40GHz，控制計算機7根據(jù)光學接收機4輸出的回波信號強度隨時間的變化，生成反饋電壓信號。任意波形發(fā)生器6根據(jù)反饋電壓信號控制輸入光強調(diào)制器3的調(diào)制電壓V，智能主動抑制可能飽和的信號。當光信號較強時，由控制計算機7向任意波形發(fā)生器6發(fā)出指令，輸入電光強度的調(diào)制電壓接近\，此時M-Z干涉儀調(diào)制一臂中的光信號的相位發(fā)生改變，此時兩臂的光信號干涉相消，光透過率較小，抑制了近場強回波信號，避免了探測器的飽和；當光信號較弱 (遠距離)時，由控制計算機7向任意波形發(fā)生器6發(fā)出指令，輸入電光強度的調(diào)制電壓接近VH，此時M-Z干涉儀的調(diào)制臂中的光信號的相位改變，光信號干涉相長，光透過率接近1。
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盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實施方式
進行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實施方式
的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。
權(quán)利要求
1.一種激光雷達中全光纖背景光壓制和近場信號動態(tài)范圍抑制技術(shù)的光學探測組件， 其特征在于所述光學探測組件包括接收望遠鏡(1)、FBG背景濾波器( 、光強調(diào)制器(3)、 光學接收機G)、溫度控制器(5)、任意波形發(fā)生器(6)以及控制計算機(7)，所述光學探測組件在激光雷達的接收望遠鏡(1)和光學接收機(4)之間，激光雷達的回波信號由接收望遠鏡(1)通過光纖傳輸?shù)紽BG背景濾波器O)，再將FBG背景濾波器( 的輸出信號通過光纖傳輸?shù)焦鈴娬{(diào)制器(3)，然后將光強調(diào)制器C3)的輸出信號傳輸至光學接收機G)，其中，F(xiàn)BG背景濾波器O)，其封裝在一個恒溫溫箱內(nèi)，溫度控制器( 始終使FBG背景濾波器(2)保持在恒定溫度下工作，防止了中心工作波長的漂移，然后將FBG背景濾波器(2)安裝在精密平移臺上，由壓電陶瓷控制其應(yīng)力分布，確保峰值透過率的波長位置與工作波長重疊，該FBG背景濾波器(2)是窄帶、低損耗的透射式濾波器，帶寬為0. lnm，透過光信號的中心頻率為υ ^，峰值透過率達到99%，回波信號經(jīng)FBG背景濾波器0)，中心頻率為υ。的回波信號透過率為99%，其它頻段的回波信號的透過率小于1%，其它頻段的回波信號被有效濾除，即極大限度地抑制了背景光；光強調(diào)制器(3)，濾除了背景噪聲的回波信號輸出至光強調(diào)制器(3)，控制計算機(7) 根據(jù)光學接收機(4)輸出的回波信號強度隨時間的變化生成反饋電壓信號，任意波形發(fā)生器(6)根據(jù)所述反饋電壓信號控制輸入光強調(diào)制器( 的調(diào)制電壓V，智能主動抑制可能飽和的信號；該光強調(diào)制器(3)內(nèi)部是具有M-Z干涉儀型電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)的光強調(diào)制器，其中一臂上加調(diào)制電壓V;探測低層大氣時，較強的后向散射光入射至光強調(diào)制器(3)，通過調(diào)節(jié)調(diào)制電壓V使加了調(diào)制電壓的一臂的回波信號的相位改變等于異相的半波長，此時兩臂的回波信號發(fā)生相消干涉，輸出至光學接收機的回波信號的強度達到最小，避免了光學接收機的飽和；探測高層大氣時，較弱的后向散射光入射至光強調(diào)制器(3)，通過調(diào)節(jié)調(diào)制電壓V使加了調(diào)制電壓的一臂的回波信號的相位改變等于波長的整數(shù)倍，此時兩臂的回波信號發(fā)生相長干涉，輸出至光學接收機的光信號的強度達到最大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光雷達中全光纖背景光壓制和近場信號動態(tài)范圍抑制技術(shù)的光學探測組件，其特征在于所述FBG背景濾波器( 中光纖光柵溫度響應(yīng)系數(shù)為 0. 01nm/°C，光纖光柵應(yīng)力系數(shù)為1. 261pm/μ ε。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光雷達中全光纖背景光壓制和近場信號動態(tài)范圍抑制技術(shù)的光學探測組件，其特征在于所述光強調(diào)制器C3)半波電壓為Vn，調(diào)制速度為 40GHz。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光雷達中全光纖背景光壓制和近場信號動態(tài)范圍抑制技術(shù)的光學探測組件，本發(fā)明采用FBG背景濾波器濾除背景噪聲，關(guān)鍵在于使用溫度補償和光纖布拉格光柵軸向應(yīng)力控制，使得FBG背景濾波器的峰值透過率位置正好在激光雷達的工作波長處，有效的抑制了背景光，實現(xiàn)全天時探測；并采用光強調(diào)制器對激光雷達接收光信號強度進行調(diào)制，光強調(diào)制器能夠根據(jù)回波信號的特征主動電光調(diào)制激光雷達信號的動態(tài)范圍，可以在保障遠程信號極大信噪比的前提下，抑制近場信號，避免光電探測器近場信號飽和，提高激光出射功率及遠場目標的回波功率，實現(xiàn)高低空一體化探測；并且用全光纖連接，提高了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性；本發(fā)明大大降低了光路成本，且光路系統(tǒng)較簡單，有利于光路調(diào)節(jié)。
文檔編號G01S13/95GK102419435SQ201110230599
公開日2012年4月18日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月12日
發(fā)明者夏海云, 孫東松, 竇賢康, 薛向輝, 陳廷娣, 韓燕 申請人:中國科學技術(shù)大學