一種基于光纖陣列的多光譜探測波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于條紋管激光雷達3D多光譜探測的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，尤其涉及一種基于光纖陣列的多光譜探測的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，屬于光電成像領域。包括接收光學系統(tǒng)、分光光柵、空間光調(diào)制器、光纖陣列、微透鏡陣列、光電二極管APD陣列、互阻放大器陣列、差分接收放大器陣列、垂直腔面激光器陣列、計算機。其中，通過引入空間光調(diào)制器和光纖陣列，解決制作大面陣探測器的難題，減小光電探測器各通道接受回波脈沖的串擾影響。本發(fā)明將不同波長的回波信號轉(zhuǎn)換為條紋管陰極材料可響應的一種峰值波長信號，解決了條紋管激光雷達多光譜探測的多波長轉(zhuǎn)換問題，可廣泛應用于多光譜三維探測成像技術(shù)中。
【專利說明】一種基于光纖陣列的多光譜探測波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于條紋管激光雷達3D多光譜探測的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，尤其涉及一種基于光纖陣列的多光譜探測的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，屬于光電成像領域。

【背景技術(shù)】
[0002]基于條紋管的主動多光譜成像系統(tǒng)，將三維成像與多光譜結(jié)合，利用目標的三維信息和多光譜信息同時進行探測，可以進一步提高目標探測的準確性。由于條紋管的光電陰極只能對某一個范圍的光波長進行響應，在進行主動多光譜探測時，需要設計波長轉(zhuǎn)換裝置。目前，波長轉(zhuǎn)換技術(shù)可以分為兩大類，全光波長轉(zhuǎn)換(AOWC)和光電光型(0/E/0)波長轉(zhuǎn)換。全光波長轉(zhuǎn)換不經(jīng)過光電處理，利用某些介質(zhì)的非線性光學效應，直接在光域內(nèi)將輸入的某一波長的光信號轉(zhuǎn)換到新波長上。但是，非線性光學效應技術(shù)需要復雜的光學裝置，而且轉(zhuǎn)換效率依賴于入射光的光強，不適合用于激光雷達接收端。光電光型波長轉(zhuǎn)換不改變波長的物理性質(zhì)，通過光電效應可直接實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換，且具有轉(zhuǎn)換效率高、響應速度快、頻率轉(zhuǎn)換范圍大、便于集成等優(yōu)點，有著較好的應用前景。
[0003]高像元數(shù)的光電探測器陣列作為光電光型波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心器件，但目前普遍使用的APD探測器陣列很難保證較大的像元數(shù)。利用光纖的柔韌性，通過在陣列尾纖連接分立的單點光電探測器制作高像素數(shù)的光纖陣列，這樣的設計既保證了較大的像元數(shù)，又解決了制作大型光電探測器陣列的難題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決多光譜探測中波長轉(zhuǎn)換問題及制作大面陣探測器的問題，提出了一種基于光纖陣列的多光譜探測波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0006]一種基于光纖陣列的多光譜探測波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其包括接收光學系統(tǒng)、分光光柵、空間光調(diào)制器、光纖陣列、微透鏡陣列、光電二極管APD陣列、互阻抗放大器陣列、差分接收放大器陣列、垂直腔面激光器陣列、計算機構(gòu)成。
[0007]所述的空間光調(diào)制器放置于所述的光纖陣列前端，用于控制光纖陣列的受光區(qū)域，來確保光電探測器接收回波脈沖激光束時無串擾影響。
[0008]所述的計算機可通過編程對空間光調(diào)制器實現(xiàn)自動化控制。
[0009]所述的光纖陣列為16*16陣列，由256根多模光纖構(gòu)成。光纖陣列前端為方陣陣列，后端16束光纖束分別連接分立的光電二極管APD。
[0010]所述的光電二極管APD陣列的波長響應峰值分別為X1= 1064nm，λ 2= 532nm，λ 3= 355nm。
[0011]所述的互阻放大器陣列將光電二極管APD的輸出電流轉(zhuǎn)換為差分輸出電壓，對信號進行一級放大，放大倍數(shù)為90倍。
[0012]所述的差分接收放大器陣列將一級差分輸出電壓進行二級放大，放大倍數(shù)為5倍。
[0013]所述的垂直腔面激光器是一種出射光束方向與半導體外延表面垂直的激光器，該發(fā)射的激光波長與條紋管光電陰極響應的峰值波長一致。
[0014]所述的條紋管光電陰極響應的峰值波長為650nm。
[0015]工作過程為:經(jīng)目標反射后的回波信號混合多波長激光束經(jīng)接收光學系統(tǒng)接收并會聚至分光光柵，分光光柵將接收到的混合多波長光束分光后形成不同波長的回波激光束。不同波長的回波激光束分別會聚至16*16光纖陣列前端面。放置在光纖陣列前端的空間光調(diào)制器由計算機控制，以實現(xiàn)對光纖陣列4*4的區(qū)域控制。這樣保證每次只有一個區(qū)域有光信號輸入，后端的16個光電二極管APD連接的光纖中只有一根光纖有光，從而只接收到一個區(qū)域的信號。16束光纖束輸出的光脈沖信號分別由微透鏡陣列接收并聚焦至光電二極管APD，光電二極管APD通過光電轉(zhuǎn)換，將接收到的光脈沖信號放大為與入射光強相對應的電流信號?；プ杩狗糯笃鲗崿F(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換，輸出一定幅度電壓，互阻抗模式能有效降低放大器噪聲，提高動態(tài)范圍。差分接收放大器將互阻抗放大器的輸出信號進一步放大，以達到滿足驅(qū)動垂直腔面激光器的條件，最終實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果
[0017]采用本發(fā)明的基于光纖陣列的多光譜探測的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，一方面，可通過簡單的光電變換方式將含有目標信息的多波長激光轉(zhuǎn)換為條紋管光電陰極響應的峰值波長激光；另一方面，通過引入空間調(diào)制器和光纖陣列的使用，在實現(xiàn)了成像探測的同時，解決了制作大面陣探測器陣列的難題，還減少了光電探測器的數(shù)量。本發(fā)明可以廣泛應用于多光譜探測成像技術(shù)中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為實施例中16*16光纖陣列結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖2為實施例中基于光纖陣列的多光譜探測波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)示意圖；
其中，1-接收光學系統(tǒng)，2-分光光柵，3-空間光調(diào)制器，4-光纖陣列，5-微透鏡陣列，6-光電二極管APD陣列，7-互阻抗放大器陣列，8-差分接收放大器陣列，9-垂直腔面激光器陣列，10-計算機。

【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明
[0021]實施例
[0022]一種基于光纖陣列的多光譜探測波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，如圖2所示，包括接收光學系統(tǒng)I，分光光柵2，空間光調(diào)制器3，光纖陣列4，微透鏡陣列5，光電二極管APD陣列6，互阻放大器陣列7，差分接收放大器陣列8，垂直腔面激光器陣列9，計算機10構(gòu)成。
[0023]所述的計算機通過編程，更換灰度圖像以控制空間光調(diào)制器面板像素單元對應的振幅。所述的空間光調(diào)制器為向列液晶振幅空間光調(diào)制器，對光纖陣列實現(xiàn)4*4區(qū)域控制。首先是區(qū)域(I，I)有光信號透過，其他區(qū)域不透光；其次是區(qū)域(I，II)有光信號透過，其他區(qū)域不透光……同理，一直到區(qū)域(IV，IV) ο
[0024]所述的光纖陣列為16*16方陣陣列，方陣陣列較容易確定光纖位置。共分成16個區(qū)域，每一個區(qū)域的第一根光纖在后端扎成一束，作為第一束光纖；每一個區(qū)域第二根光纖在后端扎成一束，作為第二束光纖……同理，一直到第16束光纖。每束光纖束由16根多模光纖組成，多模光纖較單模光纖有更大的數(shù)值孔徑，可以提高接收光功率。其中，單根光纖的芯核直徑為50um，包層直徑為125um，光纖陣列的光纖間隔為127um或250um。
[0025]所述的光電二極管APD陣列共由16個AH)組成，由微透鏡陣列分別將光纖陣列后端16束光纖束出射光信號聚焦至光電二極管APD陣列，光電二極管APD陣列將光信號轉(zhuǎn)換為與輸出光強度對應的電流信號。
[0026]所述的垂直腔面激光器陣列的發(fā)射波長為650nm，與條紋管光電陰極響應的峰值波長一致。
[0027]工作過程
[0028]接收光學系統(tǒng)I將帶有目標信息的混合多波長λ2、λ3光束會聚至分光光柵2 ;分光光柵2將混合多波長分光成λ2、入3的激光束；波長為λ Ρ λ2、λ 3的激光束分別會聚至16*16光纖陣列4前端面。放置在光纖陣列4前端的空間光調(diào)制器3由計算機控制，以實現(xiàn)對光纖陣列4的4*4的區(qū)域控制。由計算機10控制的空間光調(diào)制器3對光纖陣列4進行區(qū)域控制，使得單波長激光束信號按區(qū)域依次通過，保證光纖陣列后端16束光纖束，每束光纖束每次只有一根光纖有光。16束光纖束輸出的光信號分別由微透鏡陣列5接收，并會聚至光電二極管APD陣列6，光電二極管APD陣列6將光信號轉(zhuǎn)換為與光強度相對應的電流信號?；プ杩狗糯笃麝嚵?將電流信號轉(zhuǎn)換成放大的差分電壓信號，對信號實現(xiàn)一級放大；差分接收放大器陣列8對一級放大的差分電壓信號進行二次放大，以達到驅(qū)動垂直腔面激光器陣列9的條件；垂直腔面激光器陣列9出射波長為650nm光信號，實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換。
[0029]工作原理
[0030]由空間光調(diào)制器3對光纖陣列4實現(xiàn)4*4區(qū)域控制，保證光纖陣列的16個區(qū)域中每次只有一個區(qū)域有光信號輸入，這樣就可以使光纖陣列后端的16束光纖束，每束光纖束每次只有一根光纖有光，16個APD每次接收一個區(qū)域的光信號，減少了探測器之間的串擾。
[0031]空間光調(diào)制器主要是基于透射或反射類型的液晶微顯示技術(shù)，通過液晶分子的旋光偏振性和雙折射性來實現(xiàn)入射光束的波面振幅和相位的調(diào)制。計算機通過灰度圖像控制空間光調(diào)制器面板像素單元對應的振幅，以達到對光纖陣列區(qū)域的控制。
[0032]跨阻抗放大器陣列7的轉(zhuǎn)換形式為跨阻抗模式，可以有效的降低放大器噪聲，提高共模抑制比。
[0033]波長分別為入工、入2、入3的回波信號經(jīng)光電二極管APD陣列6光電轉(zhuǎn)換后，輸出為與入射光強度成比例的電流信號i1、i2、i3?；プ杩狗糯笃麝嚵?將電流信號、、“、“轉(zhuǎn)換為差分電壓信號土Up ±U2、±U3。高帶寬的差分接收放大器陣列8將差分輸入的iUp土U2、±U3進行二級放大，并轉(zhuǎn)換為單端輸出Ua、Ub、U。。單端輸出信號Ua、Ub、U。分別驅(qū)動垂直腔面激光器陣列9，使之發(fā)射波長為650nm的激光。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光纖陣列的多光譜探測波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括接收光學系統(tǒng)(I)、分光光柵(2)、空間光調(diào)制器(3)、光纖陣列(4)、微透鏡陣列(5)、光電二極管AH)陣列(6)、互阻抗放大器陣列(7)、差分接收放大器陣列(8)、垂直腔面激光器陣列(9)、計算機(10)，其特征在于: 所述分光光柵(2)采用衍射光柵，將混合多波長激光束分成三種波長激光:分別為1064nm，532nm，355nm ； 所述空間光調(diào)制器⑶放置于所述的光纖陣列⑷前端，用于控制光纖陣列⑷的受光區(qū)域，來確保光電探測器接收回波脈沖激光束時無串擾影響； 所述光纖陣列(4)為16*16陣列，由256根多模光纖構(gòu)成； 所述光電二極管APD陣列(6)，的波長響應峰值分別為X1= 1064nm，λ 2= 532nm，λ 3=355nm ； 所述互阻放大器陣列(7)將光電二極管APD陣列(6)的輸出電流轉(zhuǎn)換為差分輸出電壓，對信號進行一級放大，放大倍數(shù)為90倍； 所述差分接收放大器陣列(8)將一級差分輸出電壓進行二級放大，放大倍數(shù)為5倍；所述垂直腔面激光器(9)的出射光束方向與半導體外延表面垂直，該激光器發(fā)射的激光波長與條紋管光電陰極響應的峰值波長一致。
【文檔編號】G01S7/48GK104459670SQ201410730423
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月4日
【發(fā)明者】韓紹坤, 康艷艷, 夏文澤 申請人:北京理工大學