一種三波束全光纖相干調頻連續波激光雷達制造技術

本發明專利技術公開了一種三波束全光纖相干調頻連續波激光雷達，該激光雷達的發射和接收部分采用全光纖光路，利用光纖作為激光的傳輸和接收光路，可以使光源和探測器遠離惡劣的外界探測環境，并且具有結構簡單、質量輕等優點；利用三波束對目標進行照射，能夠同時解調出三維速度和距離信息，解決搖擺帶來的動態誤差。該激光雷達經光源出射的光束被第一耦合器分成兩種光束傳輸，后經第二耦合器與環形器分成X軸、Y軸和Z軸的光束傳輸，致使照射到目標后的光束具有空間坐標系下的三軸光束特性。本發明專利技術設計的激光雷達為相干探測方式，其采用三角波調頻連續波體制，可以同時探測距離和速度信息，避免了脈沖體制的距離速度分辨率相互制約的問題，實現了無盲區高精度測量。本發明專利技術可在不因激光器存在差異而引入頻率誤差的情況下，同時測量三維速度和距離，得出探測器姿態，且降低動態誤差2～3個數量級。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種激光雷達，更特別地說，是指一種具有三波束相干調頻連續波的 光纖激光雷達。
技術介紹
激光雷達主要工作在紅外和可見光波段，當輻射照射目標時，激光雷達利用目標 的反射、折射、散射和透射等所產生的回波，對目標進行探測。與傳統的微波雷達相比，激光 雷達的波長短得多，所以具有探測靈敏度高和測量分辨率高、全天候工作、體積小、質量輕、 與網絡融合能力強、可在分子量級上對目標進行探測等優點。激光雷達的基本組成包括發射、接收和后置信號處理三部分，以及使三部分協調 工作的機構。參考電子工業出版社于2010年11月第I次印刷，戴永江編著的《激光雷達技 術》第5章第173頁、第174頁和第175頁中公開的內容。書中“信號處理及控制部分”包 括有信號預處理、信號處理器、伺服系統和通信系統。光電探測器將回來的激光信號直接轉 變為電信號；信號處理器將各種信號參量處理為含有距離、速度、角度和目標圖像特征的信 息，再經過模/數轉換器，轉變為數字信號，送入計算機或微處理器等主處理器，變為可分 析和顯示及傳輸的數據和圖像信息。在發射、接收技術中，接收技術有非相干接收和相干接收兩大類。非相干技術接收 是接收激光能量的直接接收方式，技術簡單和成熟。相干接收技術有外差接收、自差接收和 零差接收方式。相干接收技術測量的是回波信號和發射的激光信號之間的差頻信號，而非 相干接收技術測量的是接收信號和發射的激光能量信號的相對能量變化。與非相干接收技 術相比，相干激光雷達可實現速度、距離的精確測量，并能探測目標的振動譜、反射特性和 偏振特性，比非相干接收精度高，可探測隱身目標，具有區別真偽目標的能力。相干接收具 有轉化增益高和濾波性能優良的特點，有利于微弱信號的探測，可獲得目標的全部信息。連 續波激光相干雷達可連續提供目標信息，而且靈敏度很高，因此可對高速運動目標和散射 截面很小的目標進行探測。目前激光雷達測距主要分為三類激光脈沖飛行時間測距、連續波調幅測距和調 頻連續波測距。相比其它兩種測距方式，調頻連續波激光雷達的特點為(I)具有很小的距離分辨率，能夠探測到的最小距離與激光波長相比擬；(2)能夠對目標的速度和距離同時進行測量；(3)能夠進行非接觸的微小振動測量；(4)探測到的差頻信號在頻域上進行處理，簡化了處理電路；(5)相比大峰值功率的脈沖激光雷達，平均功率小得多，使用安全；(6)結構緊湊，質量輕，功耗小。由于目前的調頻連續波測距激光雷達不能對目標進行三維速度和距離的測量。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種三波束全光纖相干調頻連續波激光雷達，該激光雷達為相干探測方式，其發射和接收部分采用全光纖光路，利用光纖作為激光的傳輸和接收光路， 可以使光源和探測器遠離惡劣的外界探測環境，并且具有結構簡單、質量輕等優點；采用三角波調頻連續波體制，可以同時探測距離和速度信息，避免了脈沖體制的距離速度分辨率相互制約的問題，實現了無盲區高精度測量。利用三波束進行三維速度及距離的測量，能夠同時解調出三維速度和距離信息，解決搖擺帶來的動態誤差。本專利技術的一種三波束全光纖相干調頻連續波激光雷達，所述激光雷達包括有發射部分、接收部分和信號處理及控制部分(14)，其中所述發射部分包括有窄線寬激光器(I)、第一光纖耦合器(2)、隔離器(3)、泵浦源(4)、波分復用器(5)、摻鉺光纖(6)、第二光纖稱合器(81)、第一環形器(91)、第二環形器_ ^(92)、第三環形器(93)、第一波片(101)、第二波片(102)、第三波片(103)、第一準直444器(111)、第二準直器(112)和第三準直器(113);其光信息傳輸為窄線寬激光器(I)用于輸出三角波頻率調制的窄線寬激光I1給第一光纖耦合器 ⑵；第一光纖耦合器(2)將接收到的窄線寬激光I1按照功率進行分光，分為第一發射信號光IA2和第一本振光IB2 ;第一發射信號光IA2輸出給隔離器(3);第一本振光IB2輸出4、t-u ~ι/Χ./ W 乂。2隔離器(3)第一方面將接收到的第一發射信號光IA2傳輸給波分復用器(5)，經隔離器(3)后的第一發射信號光IA2記為第二發射信號光G3 ;第二方面濾除從波分復用器(5) 回傳的第二自發輻射光g5。泵浦源(4)用于輸出泵浦光I4，所述泵浦光I4的波長為974nm。波分復用器(5)第一方面將接收到的泵浦光I4和第二發射信號光G3進行耦合，使兩束光在同一光纖當中徑向傳輸，得到混合光G5輸出給摻鉺光纖(6);第二方面將回傳的第一自發福射光g6傳輸給隔離器(3),經波分復用器(5)后的第一自發福射光g6記為第二自發輻射光g5。摻鉺光纖(6)第一方面用于將接收到的混合光G5進行受激放大，得到第三發射信號光G6輸出給第二光纖f禹合器(81),第二方面混合光G5在摻鉺光纖(6)中會因為自發福射而產生反向傳輸的第一自發輻射光&，該第一自發輻射光g6輸出給波分復用器(5)中。 第二光纖耦合器(81)將接收到第三發射信號光G6按照功率進行分光，分為X軸發射信號光XG81, Y軸發射信號光YG81和Z軸發射信號光ZG81 ；X軸發射信號光XG81輸出給第一環形器(91), Y軸發射信號光Ye8I輸出給第二環形器(92), Z軸發射信號光ZG81輸出給第三環形器(93)。所述X軸發射信號光XG81占有第三發射信號光G6的功率的4 ,所述Y軸發射信號光YG81占有第三發射信號光G6的功率的4，所述Z軸發射信號光ZG81占有第三發3射信號光G6的功率的*第一環形器(91)第一方面將接收到的X軸發射信號光XG81進行X軸方向的定向，X成為X軸定向光束XG91，該X軸定向光束XG91被傳輸給第一τ波片(101);第二方面將接收4到的X軸第三返回信號光Xg91進行X軸方向的定向，成為X軸第四返回信號光XI91，該X軸 第四返回信號光XI91被傳輸給第四光纖I禹合器(121)。第二環形器(92)第一方面將接收到的Y軸發射信號光YG81進行Y軸方向的定向，I成為Y軸定向光束YG92,該Y軸定向光束YG92被傳輸給第二Τ波片(102);第二方面將接收4到的Y軸第三返回信號光yg92進行Y軸方向的定向，成為Y軸第四返回信號光XI92,該Y軸 第四返回信號光XI92被傳輸給第五光纖稱合器(122)。第三環形器(93)第一方面將接收到的Z軸發射信號光ZG81進行Z軸方向的定向，成為Z軸定向光束ZG93，該Z軸定向光束ZG93被傳輸給第三4波片(103);第二方面將接收4到的Z軸第三返回信號光Zg93進行Z軸方向的定向，成為Z軸第四返回信號光XI93,該Z軸 第四返回信號光XI93被傳輸給第六光纖稱合器(123)。I第一τ波片(101)第一方面將接收到的X軸定向光束XG91R換為圓偏振光，得到X4軸圓偏振光XGltll輸出給第一準直器(111);另一方面將接收到的X軸第二返回信號光Xgltll 轉換為線偏振光，得到X軸第三返回信號光Xg91。I第二τ波片(102)第一方面將接收到的Y軸定向光束YG92轉換為圓偏振光，得到Y4軸圓偏振光YGltl2輸出給第二準直器(112);另一方面將接收到的Y軸第二返回信號光yg1(l2 轉換為線偏振光，得到Y軸第三返回信號光yg92。I第三τ波片(103)第一方面本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種三波束全光纖相干調頻連續波激光雷達，所述激光雷達包括有發射部分、接收部分和信號處理及控制部分（14），其特征在于：所述發射部分包括有窄線寬激光器（1）、第一光纖耦合器（2）、隔離器（3）、泵浦源（4）、波分復用器（5）、摻鉺光纖（6）、第二光纖耦合器（81）、第一環形器（91）、第二環形器（92）、第三環形器（93）、第一波片（101）、第二波片（102）、第三波片（103）、第一準直器（111）、第二準直器（112）和第三準直器（113）；其光信息傳輸為：窄線寬激光器（1）用于輸出三角波頻率調制的窄線寬激光I1給第一光纖耦合器（2）；第一光纖耦合器（2）將接收到的窄線寬激光I1按照功率進行分光，分為第一發射信號光IA2和第一本振光IB2；第一發射信號光IA2輸出給隔離器（3）；第一本振光IB2輸出給波片（7）。隔離器（3）第一方面將接收到的第一發射信號光IA2傳輸給波分復用器（5），經隔離器（3）后的第一發射信號光IA2記為第二發射信號光G3；第二方面濾除從波分復用器（5）回傳的第二自發輻射光g5。泵浦源（4）用于輸出泵浦光I4，所述泵浦光I4的波長為974nm。波分復用器（5）第一方面將接收到的泵浦光I4和第二發射信號光G3進行耦合，使兩束光在同一光纖當中徑向傳輸，得到混合光G5輸出給摻鉺光纖（6）；第二方面將回傳的第一自發輻射光g6傳輸給隔離器（3），經波分復用器（5）后的第一自發輻射光g6記為第二自發輻射光g5。摻鉺光纖（6）第一方面用于將接收到的混合光G5進行受激放大，得到第三發射信號光G6輸出給第二光纖耦合器（81），第二方面混合光G5在摻鉺光纖（6）中會因為自發輻射而產生反向傳輸的第一自發輻射光g6，該第一自發輻射光g6輸出給波分復用器（5）中。第二光纖耦合器（81）將接收到第三發射信號光G6按照功率進行分光，分為X軸發射信號光XG81，Y軸發射信號光YG81和Z軸發射信號光ZG81；X軸發射信號光XG81輸出給第一環形器（91），Y軸發射信號光YG81輸出給第二環形器（92），Z軸發射信號光ZG81輸出給第三環形器（93）。所述X軸發射信號光XG81占有第三發射信號光G6的功率的所述Y軸發射信號光YG81占有第三發射信號光G6的功率的所述Z軸發射信號光ZG81占有第三發射信號光G6的功率的第一環形器（91）第一方面將接收到的X軸發射信號光XG81進行X軸方向的定 向，成為X軸定向光束XG91，該X軸定向光束XG91被傳輸給第一波片（101）；第二方面將接收到的X軸第三返回信號光xg91進行X軸方向的定向，成為X軸第四返回信號光XI91，該X軸第四返回信號光XI91被傳輸給第四光纖耦合器（121）。第二環形器（92）第一方面將接收到的Y軸發射信號光YG81進行Y軸方向的定向，成為Y軸定向光束YG92，該Y軸定向光束YG92被傳輸給第二波片（102）；第二方面將接收到的Y軸第三返回信號光yg92進行Y軸方向的定向，成為Y軸第四返回信號光XI92，該Y軸第四返回信號光XI92被傳輸給第五光纖耦合器（122）。第三環形器（93）第一方面將接收到的Z軸發射信號光ZG81進行Z軸方向的定向，成為Z軸定向光束ZG93，該Z軸定向光束ZG93被傳輸給第三波片（103）；第二方面將接收到的Z軸第三返回信號光zg93進行Z軸方向的定向，成為Z軸第四返回信號光XI93，該Z軸第四返回信號光XI93被傳輸給第六光纖耦合器（123）。第一波片（101）第一方面將接收到的X軸定向光束XG91轉換為圓偏振光，得到X軸圓偏振光XG101輸出給第一準直器（111）；另一方面將接收到的X軸第二返回信號光xg101轉換為線偏振光，得到X軸第三返回信號光xg91。第二波片（102）第一方面將接收到的Y軸定向光束YG92轉換為圓偏振光，得到Y軸圓偏振光YG102輸出給第二準直器（112）；另一方面將接收到的Y軸第二返回信號光yg102轉換為線偏振光，得到Y軸第三返回信號光yg92。第三波片（103）第一方面將接收到的Z軸定向光束ZG93轉換為圓偏振光，得到Z軸圓偏振光ZG103輸出給第三準直器（113）；第二方面將接收到的Z軸第二返回信號光zg103轉換為線偏振光，得到Z軸第三返回信號光zg93。第一準直器（111）第一方面將接收到的X軸圓偏振光XG101進行擴束準直為X軸探測光XG111，該X軸探測光XG111照射在目標上；照射到目標上的X軸探測光XG111經反射、背向散射成為X軸第一返回信號光xg111；第二方面將接收到的X軸第一返回信號光x...

【技術特征摘要】
1. 一種三波束全光纖相干調頻連續波激光雷達，所述激光雷達包括有發射部分、接收部分和信號處理及控制部分(14)，其特征在于所述發射部分包括有窄線寬激光器(I)、第一光纖耦合器(2)、隔離器(3)、泵浦源(4)、波分復用器(5)、摻鉺光纖(6)、第二光纖耦合器(81)、第一環形器(91)、第二環形器(92)、第三環形器(93)、第一波片(101)、第二-J波片(102)、第三波片(103)、第一準直器·(111)、第二準直器(112)和第三準直器(113);其光信息傳輸為 窄線寬激光器(I)用于輸出三角波頻率調制的窄線寬激光I1給第一光纖耦合器(2)； 第一光纖耦合器(2)將接收到的窄線寬激光I1按照功率進行分光，分為第一發射信號·光IA2和第一本振光IB2 ;第一發射信號光IA2輸出給隔尚器(3);第一本振光IB2輸出給波片(7)。隔離器(3)第一方面將接收到的第一發射信號光IA2傳輸給波分復用器(5)，經隔離器(3)后的第一發射信號光IA2記為第二發射信號光G3 ;第二方面濾除從波分復用器(5)回傳的第二自發輻射光g5。泵浦源(4)用于輸出泵浦光I4，所述泵浦光I4的波長為974nm。波分復用器(5)第一方面將接收到的泵浦光I4和第二發射信號光G3進行耦合，使兩束光在同一光纖當中徑向傳輸，得到混合光G5輸出給摻鉺光纖(6);第二方面將回傳的第一自發福射光g6傳輸給隔離器(3),經波分復用器(5)后的第一自發福射光g6記為第二自發福射光g5。摻鉺光纖(6)第一方面用于將接收到的混合光G5進行受激放大，得到第三發射信號光G6輸出給第二光纖I禹合器(81),第二方面混合光G5在摻鉺光纖(6)中會因為自發福射而產生反向傳輸的第一自發輻射光g6，該第一自發輻射光g6輸出給波分復用器(5)中。第二光纖耦合器(81)將接收到第三發射信號光G6按照功率進行分光，分為X軸發射信號光XG81, Y軸發射信號光YG81和Z軸發射信號光ZG81 ；X軸發射信號光XG81輸出給第一環形器(91), Y軸發射信號光YG81輸出給第二環形器(92), Z軸發射信號光ZG81輸出給第三環形器(93)。所述X軸發射信號光XG81占有第三發射信號光G6的功率的$，所述Y軸發射信 3號光YG81占有第三發射信號光G6的功率的4，所述Z軸發射信號光ZG81占有第三發射信號光G6的功率的1//3o第一環形器(91)第一方面將接收到的X軸發射信號光XG81進行X軸方向的定向,成為 IX軸定向光束XG91,該X軸定向光束XG91被傳輸給第一T波片(101);第二方面將接收到的X 4軸第三返回信號光Xg91進行X軸方向的定向，成為X軸第四返回信號光XI91，該X軸第四返回信號光XI91被傳輸給第四光纖稱合器(121)。第二環形器(92)第一方面將接收到的Y軸發射信號光YG81進行Y軸方向的定向，成為Y軸定向光束YG92,該Y軸定向光束YG92被傳輸給第二λ/4波片(102);第二方面將接收到的Y 軸第三返回信號光yg92進行Y軸方向的定向，成為Y軸第四返回信號光XI92，該Y軸第四返回信號光XI92被傳輸給第五光纖稱合器(122)。第三環形器(93)第一方面將接收到的Z軸發射信號光ZG81進行Z軸方向的定向,成為 Z軸定向光束ZG93,該Z軸定向光束ZG93被傳輸給第三λ/4波片(103);第二方面將接收到的Z 軸第三返回信號光Zg93進行Z軸方向的定向，成為Z軸第四返回信號光XI93，該Z軸第四返回信號光XI93被傳輸給第六光纖稱合器(123)。第一λ/4波片(101)第一方面將接收到的X軸定向光束XG91轉換為圓偏振光,得到X軸 圓偏振光XGltll輸出給第一準直器(111);另一方面將接收到的X軸第二返回信號光Xgltll轉換為線偏振光，得到X軸第三返回信號光Xg91。第二λ/4波片(102)第一方面將接收到的Y軸定向光束YG92轉換為圓偏振光，得到Y軸 圓偏振光YGltl2輸出給第二準直器(112);另一方面將接收到的Y軸第二返回信號光yg1(12轉換為線偏振光，得到Y軸第三返回信號光yg92。 第三λ/4波片(103)第一方面將接收到的Z軸定向光束ZG93轉換為圓偏振光，得到Z軸圓偏振光ZGltl3輸出給第三準直器(113);第二方面將接收到的Z軸第二返回信號光Zgltl3轉換為線偏振光，得到Z軸第三返回信號光zg93。第一準直器(111)第一方面將接收到的X軸圓偏振光XGltll進行擴束準直為X軸探測光XG111,該X軸探測光XG111照射在目標上；照射到目標上的X軸探測光XG111經反射、背向散射成為X軸第一返回信號光Xg111 ;第二方面將接收到的X軸第一返回信號光Xg111進行聚焦率禹合輸出X軸第二返回信號光Xgicu給第一λ/4波片(101)。第二準直器(112)第一方面將接收到的Y軸圓偏振光YGltl2進行擴束準直為Y軸探測光YG112,該Y軸探測光YG112照射在目標上；照射到目標上的Y軸探測光YG112經反射、背向散射成為Y軸第一返回信號光yg112 ;第二方面將接收到的Y軸第一返回信號光yg112進行聚焦耦合輸出Y軸第二返回信號光yg1(12給第二λ/4波片(102)。第三準直器(113)第一方面將接收到的Z軸圓偏振光ZGltl3進行擴束準直為Z軸探測光ZG113,該Z軸探測光ZG113照射在目標上；照射到目標上的Z軸探測光ZG113經反射、背向散射成為Z軸第一返回信號光Zg113 ;第二方面將接收到的Z軸第一返回信號光Zg113進行聚焦率禹合輸出Z軸第二返回信號光Zgltl3給第三λ/4波片(103)。所述接收部分包括有窄線寬激光器(I)、第一光纖稱合器(2)、λ/4波片(7)、第三光纖率禹 合器(82)、第一環形器(91)、第二環形器(92)、第三環形器(93)、第λ/4波片(101)、第二λ/4波片(102)、第三λ/4波片(103)、第一準直器(111)、第二準直器(112)、第三準直器(113)、第四 光纖賴合器(121)、第五光纖賴合器(122)、第六光纖賴合器(123)、第一光電探測器(131)、第二光電探測器(132)、第三光電探測器(133);其光信息傳輸為 窄線寬激光器(I)用于輸出三角波頻率調制的窄線寬激光I1給第一光纖耦合器(2)； 第一光纖耦合器(2)將接收到的窄線寬激光I1按照功率進行分光，分為第一發射信號光IA2和第一本振光IB2 ;第一發射信號光IA2輸出給隔離器(3);第一本振光IB2輸出給λ/2波片(7)。λ/2波片(7)將接收到的第一本振光IB2進行相位的變換，輸出第二本振光G7給第三光纖耦合器(82)。第三光纖耦合器(82)將接收到的第二本振光G7按照功率進行分光,...

【專利技術屬性】
技術研發人員：林志立，歐攀，范哲，李茳，孫鳴捷，張春熹，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：