本發(fā)明涉及一種脈沖壓縮激光雷達(dá)系統(tǒng)及測(cè)距方法。

背景技術(shù)：

激光雷達(dá)是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。激光雷具有極高的角分辨率、具有極高的距離分辨率、速度分辨率高、測(cè)速范圍廣、能獲得目標(biāo)的多種圖像、抗干擾能力強(qiáng)、比微波雷達(dá)的體積和重量小等優(yōu)點(diǎn)。

在激光探測(cè)實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，由于連續(xù)散射介質(zhì)的后向散射背景信號(hào)中不存在高頻信號(hào)，因而可以利用高頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，通過濾波處理將高頻回波信號(hào)與低頻背景區(qū)分開。

由于脈沖壓縮激光雷達(dá)能夠通過對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮處理得到高探測(cè)信噪比，因此可以被廣泛應(yīng)用到測(cè)量水霧，煙幕，云層等連續(xù)散射介質(zhì)當(dāng)中。然而當(dāng)前的脈沖壓縮激光雷達(dá)系統(tǒng)會(huì)受到電子調(diào)制帶寬和調(diào)制速度的限制，也會(huì)受到調(diào)制信號(hào)的時(shí)間帶寬積限制，使得脈沖壓縮激光雷達(dá)系統(tǒng)的作用距離和探測(cè)信噪比等性能受到嚴(yán)重影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決目前的脈沖壓縮激光雷達(dá)系統(tǒng)的調(diào)制時(shí)間帶寬積有限導(dǎo)致雷達(dá)系統(tǒng)作用距離受限的問題。

用于連續(xù)散射介質(zhì)中目標(biāo)探測(cè)的全光脈沖壓縮激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括發(fā)射端子系統(tǒng)和接收端子系統(tǒng)；

所述發(fā)射端子系統(tǒng)包括光學(xué)發(fā)射裝置、飛秒激光器、級(jí)聯(lián)線性啁啾光纖布拉格光柵、第一光環(huán)形器、單模光纖和平坦增益濾波器；

飛秒激光器輸出脈沖激光，在脈沖激光的傳遞方向上，光學(xué)發(fā)射裝置的前端設(shè)置飛秒激光器、級(jí)聯(lián)線性啁啾光纖布拉格光柵、第一光環(huán)形器、單模光纖和平坦增益濾波器；所述的飛秒激光器通過單模光纖連接第一光環(huán)形器的端口1，第一光環(huán)形器的端口2通過單模光纖連接級(jí)聯(lián)線性啁啾光纖布拉格光柵，第一光環(huán)形器的端口3連接單模光纖的一端，單模光纖的另一端連接平坦增益濾波器的輸入端；

所述接收端子系統(tǒng)包括光學(xué)接收裝置、負(fù)色散光纖布拉格光柵和第二光環(huán)形器；

脈沖激光經(jīng)反射后記為目標(biāo)反射光信號(hào)，所述光學(xué)接收裝置接收目標(biāo)反射光信號(hào)；在信號(hào)的傳遞方向上，光學(xué)接收裝置后端設(shè)置第二光環(huán)形器和負(fù)色散光纖布拉格光柵；第二光環(huán)形器的端口2通過單模光纖連接負(fù)色散光纖布拉格光柵。

用于連續(xù)散射介質(zhì)中目標(biāo)探測(cè)的全光脈沖壓縮激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括的發(fā)射端子系統(tǒng)和接收端子系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系如下；

所述發(fā)射端子系統(tǒng)包括飛秒激光器、級(jí)聯(lián)線性啁啾光纖布拉格光柵、第一光環(huán)形器、單模光纖、平坦增益濾波器、第一自聚焦準(zhǔn)直器和光學(xué)發(fā)射裝置；

所述的飛秒激光器通過單模光纖連接第一光環(huán)形器的端口1，第一光環(huán)形器的端口2通過單模光纖連接級(jí)聯(lián)線性啁啾光纖布拉格光柵，第一光環(huán)形器的端口3連接單模光纖的一端，單模光纖的另一端連接平坦增益濾波器的輸入端，平坦增益濾波器的輸出端通過單模光纖連接第一自聚焦準(zhǔn)直器的輸入端，第一自聚焦準(zhǔn)直器的輸出端通過單模光纖連接光學(xué)發(fā)射裝置；光學(xué)發(fā)射裝置對(duì)脈沖激光進(jìn)行整形照射到目標(biāo)區(qū)域；

所述接收端子系統(tǒng)包括光學(xué)接收裝置、第二自聚焦準(zhǔn)直器、負(fù)色散光纖布拉格光柵、第二光環(huán)形器、光纖光電探測(cè)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器；

脈沖激光經(jīng)反射后記為目標(biāo)反射光信號(hào)，所述光學(xué)接收裝置接收目標(biāo)反射光信號(hào)；光學(xué)接收裝置通過單模光纖連接第二自聚焦準(zhǔn)直器的輸入端，第二自聚焦準(zhǔn)直器的輸出端通過單模光纖連接第二光環(huán)形器的端口1，第二光環(huán)形器的端口2通過單模光纖連接負(fù)色散光纖布拉格光柵，第二光環(huán)形器的端口3通過單模光纖連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端通過單模光纖連接數(shù)字信號(hào)處理器，數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

優(yōu)選地，所述的單模光纖為g652單模光纖。

優(yōu)選地，第一光環(huán)形器的端口3連接單模光纖中所述的單模光纖為單模色散光纖。

優(yōu)選地，飛秒激光器輸出光譜范圍為1550±20nm。

優(yōu)選地，第一光環(huán)形器的端口3連接單模光纖中所述的單模光纖長(zhǎng)度為30km至40km。

利用所述的用于連續(xù)散射介質(zhì)中目標(biāo)探測(cè)的全光脈沖壓縮激光雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)距方法，包括以下步驟：

通過飛秒激光器輸出脈沖激光；脈沖激光進(jìn)入第一光環(huán)形器的端口1，然后在第一光環(huán)形器的端口2經(jīng)過級(jí)聯(lián)線性啁啾光纖布拉格光柵，再從第一光環(huán)形器的端口3進(jìn)入單模光纖將脈沖激光進(jìn)行展寬；再進(jìn)入平坦增益濾波器降低干擾；然后經(jīng)過第一自聚焦準(zhǔn)直器耦合到自由空間；通過光學(xué)發(fā)射裝置整形后照射到目標(biāo)區(qū)域；

脈沖激光經(jīng)反射后記為目標(biāo)反射光信號(hào)，光學(xué)接收裝置匯聚接收目標(biāo)反射光信號(hào)；目標(biāo)反射光信號(hào)經(jīng)過第二自聚焦準(zhǔn)直器耦合到光纖中；然后進(jìn)入第二光環(huán)形器端口1并傳輸?shù)蕉丝?進(jìn)入負(fù)色散光纖布拉格光柵進(jìn)行光學(xué)脈沖壓縮；經(jīng)過負(fù)色散光纖布拉格光柵脈沖壓縮反射后經(jīng)端口2進(jìn)入，從端口3進(jìn)入到光纖光電探測(cè)器對(duì)壓縮后的目標(biāo)反射光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，在經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最后進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行處理，解算得到目標(biāo)的距離信息。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明采用slcfbg構(gòu)成的信號(hào)調(diào)制模塊和一根長(zhǎng)單模光纖構(gòu)成的時(shí)頻映射模塊來產(chǎn)生大時(shí)間帶寬積的線性調(diào)頻調(diào)制信號(hào)，并在接收端采用負(fù)色散光纖布拉格光柵，使得本發(fā)明能夠有效提高頻率調(diào)制信號(hào)的時(shí)間帶寬積，進(jìn)而提高系統(tǒng)的作用距離和探測(cè)信噪比；相比現(xiàn)有的脈沖壓縮激光雷達(dá)系統(tǒng)的作用距離最遠(yuǎn)的情況，利用本發(fā)明進(jìn)行探測(cè)的作用距離能夠提高15％-20％。并且本發(fā)明能夠提高測(cè)距精度，可使測(cè)距精度可以達(dá)到毫米量級(jí)。

同時(shí)本發(fā)明整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)從發(fā)射、調(diào)制到解調(diào)全部采用光纖光學(xué)元件，能夠?qū)崿F(xiàn)全光激光雷達(dá)，使得雷達(dá)系統(tǒng)處理速度快，穩(wěn)定性好，集成度高。

附圖說明

圖1為具體實(shí)施方式一中雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射端子系統(tǒng)示意圖；

圖2為具體實(shí)施方式一中時(shí)間維度上的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)；其中，橫坐標(biāo)time為時(shí)間，縱坐標(biāo)normalizedsignalintensity為歸一化信號(hào)強(qiáng)度；

圖3為具體實(shí)施方式一中雷達(dá)系統(tǒng)的接收端子系統(tǒng)中的脈沖壓縮單元示意圖；

圖4為5nm脈寬設(shè)計(jì)的負(fù)色散布拉格光柵的色散補(bǔ)償圖；其中，橫坐標(biāo)wavelength為波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)dispersiondelay為色散延遲；

圖5為具體實(shí)施方式五中雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射端子系統(tǒng)示意圖；

圖6為具體實(shí)施方式五中雷達(dá)系統(tǒng)的接收端子系統(tǒng)示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，

用于連續(xù)散射介質(zhì)中目標(biāo)探測(cè)的全光脈沖壓縮激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括發(fā)射端子系統(tǒng)和接收端子系統(tǒng)；

所述發(fā)射端子系統(tǒng)包括光學(xué)發(fā)射裝置、飛秒激光器1、級(jí)聯(lián)線性啁啾光纖布拉格光柵2、第一光環(huán)形器3、單模光纖4和平坦增益濾波器5；

飛秒激光器1輸出脈沖激光，在脈沖激光的傳遞方向上，光學(xué)發(fā)射裝置的前端設(shè)置飛秒激光器1、級(jí)聯(lián)線性啁啾光纖布拉格光柵2、第一光環(huán)形器3、單模光纖4和平坦增益濾波器5；所述的飛秒激光器1通過單模光纖連接第一光環(huán)形器3的端口1，第一光環(huán)形器3的端口2通過單模光纖連接級(jí)聯(lián)線性啁啾光纖布拉格光柵2，第一光環(huán)形器3的端口3連接單模光纖4的一端，單模光纖4的另一端連接平坦增益濾波器5的輸入端；光學(xué)發(fā)射裝置7對(duì)脈沖激光進(jìn)行整形照射到目標(biāo)區(qū)域；

所述接收端子系統(tǒng)包括光學(xué)接收裝置、負(fù)色散光纖布拉格光柵10和第二光環(huán)形器11；

脈沖激光經(jīng)反射后記為目標(biāo)反射光信號(hào)，所述光學(xué)接收裝置接收目標(biāo)反射光信號(hào)；在信號(hào)的傳遞方向上，光學(xué)接收裝置后端設(shè)置第二光環(huán)形器11和負(fù)色散光纖布拉格光柵10；第二光環(huán)形器11的端口2通過單模光纖連接負(fù)色散光纖布拉格光柵10；負(fù)色散光纖布拉格光柵10將目標(biāo)反射光信號(hào)進(jìn)行光學(xué)脈沖壓縮。

本實(shí)施方式采用兩個(gè)級(jí)聯(lián)線性啁啾光纖布拉格光柵(superimposedlinearchirpfiberbragggratings，slcfbg)構(gòu)成的信號(hào)調(diào)制模塊和一根長(zhǎng)單模光纖構(gòu)成的時(shí)頻映射模塊來產(chǎn)生大時(shí)間帶寬積的線性調(diào)頻調(diào)制信號(hào)，發(fā)射端示意圖如圖1所示，該模塊的工作原理為：

飛秒激光器輸出的寬光譜窄脈沖通過環(huán)形器輸入到slcfbg，此時(shí)slcfbg等效于一系列針對(duì)不同波長(zhǎng)的f-p濾波器，對(duì)于符合f-p腔匹配條件的頻率分量進(jìn)行反射，對(duì)不符合的頻率分量進(jìn)行透過，因此經(jīng)過slcfbg反射的脈沖信號(hào)的頻譜就等效為類似線性調(diào)頻信號(hào)的形式。由于slcfbg本身存在色散特性，會(huì)對(duì)飛秒脈沖進(jìn)行一定程度的展寬，經(jīng)過slcfbg反射的激光脈沖的脈沖寬度在百皮秒量級(jí)。但此時(shí)脈沖寬度依然很小，對(duì)應(yīng)的脈沖峰值功率很高，在長(zhǎng)距離途徑傳輸?shù)倪^程中極易發(fā)生電離等現(xiàn)象，對(duì)脈沖信號(hào)能量和波形產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此在slcfbg后面引入了一根長(zhǎng)單模光纖作為時(shí)頻映射模塊，利用單模光纖的色散特性，不同波長(zhǎng)的激光分量在單模光纖中的色散延時(shí)不同，因而能夠?qū)⒓す饷}沖信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻映射，使調(diào)制脈沖映射成為如圖2所示的時(shí)間維度上的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)，理論計(jì)算表明當(dāng)調(diào)制信號(hào)脈沖寬度約為5ns時(shí)，需要一根長(zhǎng)約37公里的g652單模光纖。這里將產(chǎn)生的信號(hào)再經(jīng)過平坦增益濾波器的目的是為了濾除雜光干擾。

目標(biāo)反射光信號(hào)經(jīng)過光學(xué)接收裝置匯聚接收后進(jìn)入脈沖壓縮單元。本實(shí)施方式接收端子系統(tǒng)中的脈沖壓縮單元采用如圖3所示的負(fù)色散光纖布拉格光柵來實(shí)現(xiàn)，通過設(shè)計(jì)合適的色散常數(shù)d和柵區(qū)長(zhǎng)度l，就能得到脈沖壓縮器件，圖4給出了針對(duì)5nm脈寬設(shè)計(jì)的負(fù)色散布拉格光柵的色散補(bǔ)償圖線，該器件的工作光譜寬度8nm；色散常數(shù)d＝-625ps/nm；柵區(qū)長(zhǎng)度l＝1.5cm。

具體實(shí)施方式二：

本實(shí)施方式第一光環(huán)形器3的端口3連接單模光纖4中所述的單模光纖4為單模色散光纖。

其他結(jié)構(gòu)和參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：

本實(shí)施方式第一光環(huán)形器3的端口3連接單模光纖4中所述的單模光纖4長(zhǎng)度為30km至40km。

其他結(jié)構(gòu)和參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：

本實(shí)施方式飛秒激光器1輸出光譜范圍為1550±20nm。

其他結(jié)構(gòu)和參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：結(jié)合圖5和圖6說明本實(shí)施方式，

用于連續(xù)散射介質(zhì)中目標(biāo)探測(cè)的全光脈沖壓縮激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括發(fā)射端子系統(tǒng)和接收端子系統(tǒng)；

所述發(fā)射端子系統(tǒng)包括飛秒激光器1、級(jí)聯(lián)線性啁啾光纖布拉格光柵2、第一光環(huán)形器3、單模光纖4、平坦增益濾波器5、第一自聚焦準(zhǔn)直器6和光學(xué)發(fā)射裝置7；

所述的飛秒激光器1通過單模光纖連接第一光環(huán)形器3的端口1，第一光環(huán)形器3的端口2通過單模光纖連接級(jí)聯(lián)線性啁啾光纖布拉格光柵2，第一光環(huán)形器3的端口3連接單模光纖4的一端，單模光纖4的另一端連接平坦增益濾波器5的輸入端，平坦增益濾波器5的輸出端通過單模光纖連接第一自聚焦準(zhǔn)直器6的輸入端，第一自聚焦準(zhǔn)直器6的輸出端通過單模光纖連接光學(xué)發(fā)射裝置7；光學(xué)發(fā)射裝置7對(duì)脈沖激光進(jìn)行整形照射到目標(biāo)區(qū)域；

所述接收端子系統(tǒng)包括光學(xué)接收裝置8、第二自聚焦準(zhǔn)直器9、負(fù)色散光纖布拉格光柵10、第二光環(huán)形器11、光纖光電探測(cè)器12、模數(shù)轉(zhuǎn)換器13、數(shù)字信號(hào)處理器14；

脈沖激光經(jīng)反射后記為目標(biāo)反射光信號(hào)，所述光學(xué)接收裝置8接收目標(biāo)反射光信號(hào)；光學(xué)接收裝置8通過單模光纖連接第二自聚焦準(zhǔn)直器9的輸入端，第二自聚焦準(zhǔn)直器9的輸出端通過單模光纖連接第二光環(huán)形器11的端口1，第二光環(huán)形器11的端口2通過單模光纖連接負(fù)色散光纖布拉格光柵10，第二光環(huán)形器11的端口3通過單模光纖連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器13的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換器13的輸出端通過單模光纖連接數(shù)字信號(hào)處理器14，數(shù)字信號(hào)處理器14對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

飛秒激光器1的功能：

輸出脈沖激光。

級(jí)聯(lián)線性啁啾光纖布拉格光柵slcfbg2的功能：

等效為一系列針對(duì)不同波長(zhǎng)的f-p濾波器，對(duì)于符合f-p腔匹配條件的頻率分量進(jìn)行反射，對(duì)不符合的頻率分量進(jìn)行透過，因此經(jīng)過slcfbg反射的脈沖信號(hào)的頻譜就等效為類似線性調(diào)頻信號(hào)的形式。

第一光環(huán)形器3的功能：

使激光信號(hào)只能按照1到2，2到3的方向進(jìn)行單向傳導(dǎo)，防止激光信號(hào)之間發(fā)生串?dāng)_。

單模光纖4的功能：

利用單模光纖的色散作用將調(diào)制脈沖進(jìn)行展寬。

平坦增益濾波器5的功能：

僅讓選擇光譜范圍內(nèi)的光信號(hào)透過，濾除其余頻率成分的激光信號(hào)以降低干擾。

第一自聚焦準(zhǔn)直器6的功能：

將光纖中的激光信號(hào)耦合到自由空間。

光學(xué)發(fā)射裝置7的功能：

對(duì)脈沖激光進(jìn)行整形照射到目標(biāo)區(qū)域。

光學(xué)接收裝置8的功能：

匯聚接收目標(biāo)反射光信號(hào)。

第二自聚焦準(zhǔn)直器9的功能：

將自由空間的目標(biāo)反射光信號(hào)耦合到光纖中。

負(fù)色散fbg10的功能：

利用負(fù)色散特性，不同波長(zhǎng)分量被fbg反射時(shí)的延時(shí)不同，從而將目標(biāo)反射光信號(hào)進(jìn)行光學(xué)脈沖壓縮。

第二光環(huán)形器11的功能：

使激光信號(hào)只能按照1到2，2到3的方向進(jìn)行單向傳導(dǎo)，目標(biāo)反射光信號(hào)從端口1傳輸?shù)蕉丝?進(jìn)入負(fù)色散fbg，經(jīng)過fbg脈沖壓縮反射后經(jīng)端口2進(jìn)入端口3被光纖光電探測(cè)器檢測(cè)。

光纖光電探測(cè)器12的功能：

對(duì)壓縮后的目標(biāo)反射光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器13的功能：

對(duì)光纖光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)進(jìn)行采集。

數(shù)字信號(hào)處理器14的功能：

對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸采集的電信號(hào)進(jìn)行處理，解算得到目標(biāo)的距離信息。

具體實(shí)施方式六：

本實(shí)施方式所述的單模光纖4為g652單模光纖。

其他結(jié)構(gòu)和參數(shù)與具體實(shí)施方式五相同。

具體實(shí)施方式七：

本實(shí)施方式第一光環(huán)形器3的端口3連接單模光纖4中所述的單模光纖4為單模色散光纖。

其他結(jié)構(gòu)和參數(shù)與具體實(shí)施方式五相同。

具體實(shí)施方式八：

本實(shí)施方式飛秒激光器1輸出光譜范圍為1550±20nm。

其他結(jié)構(gòu)和參數(shù)與具體實(shí)施方式五至七之一相同。

具體實(shí)施方式九：

本實(shí)施方式第一光環(huán)形器3的端口3連接單模光纖4中所述的單模光纖4長(zhǎng)度為30km至40km。

其他結(jié)構(gòu)和參數(shù)與具體實(shí)施方式五至八之一相同。

具體實(shí)施方式十：

利用具體實(shí)施方式五至具體實(shí)施方式九之一所述的用于連續(xù)散射介質(zhì)中目標(biāo)探測(cè)的全光脈沖壓縮激光雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)距方法，包括以下步驟：

通過飛秒激光器1輸出脈沖激光；脈沖激光進(jìn)入第一光環(huán)形器3的端口1，然后在第一光環(huán)形器3的端口2經(jīng)過級(jí)聯(lián)線性啁啾光纖布拉格光柵，再從第一光環(huán)形器3的端口3進(jìn)入單模光纖4將脈沖激光進(jìn)行展寬；再進(jìn)入平坦增益濾波器5降低干擾；然后經(jīng)過第一自聚焦準(zhǔn)直器6耦合到自由空間；通過光學(xué)發(fā)射裝置7整形后照射到目標(biāo)區(qū)域；

脈沖激光經(jīng)反射后記為目標(biāo)反射光信號(hào)，光學(xué)接收裝置8匯聚接收目標(biāo)反射光信號(hào)；目標(biāo)反射光信號(hào)經(jīng)過第二自聚焦準(zhǔn)直器9耦合到光纖中；然后進(jìn)入第二光環(huán)形器11端口1并傳輸?shù)蕉丝?進(jìn)入負(fù)色散光纖布拉格光柵10進(jìn)行光學(xué)脈沖壓縮；經(jīng)過負(fù)色散光纖布拉格光柵10脈沖壓縮反射后經(jīng)端口2進(jìn)入，從端口3進(jìn)入到光纖光電探測(cè)器12對(duì)壓縮后的目標(biāo)反射光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，在經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器13，最后進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理器14進(jìn)行處理，解算得到目標(biāo)的距離信息。