脉冲多普勒激光雷达系统及脉冲多普勒激光雷达

摘要

本发明公开了一种脉冲多普勒激光雷达系统和脉冲多普勒激光雷达，包括一种脉冲多普勒激光雷达系统，包括依次串联激光雷达系统的参考激光光源输入端口、第一光隔离器、第一光耦合器、第二光隔离器、滤波极化延迟组件、第二光耦合器、第三光隔离器、掺铒光纤放大器组件和第四光隔离器；其中，第一光耦合器的输入端分别与第一光隔离器和第四光隔离器相连。采用本发明降低了相干性的要求，允许使用更便宜、更小、更低的相干源。同时也可以降低了测量激光光源与参考激光光源的功率要求。

权利要求

1.一种脉冲多普勒激光雷达系统，其特征在于，包括依次串联激光雷达系统的参考激光光源输入端口、第一光隔离器、第一光耦合器、第二光隔离器、滤波极化延迟组件、第二光耦合器、第三光隔离器、掺铒光纤放大器组件和第四光隔离器；其中，所述第一光耦合器的输入端分别与所述第一光隔离器和所述第四光隔离器相连，所述参考激光光源输入端口、所述第一光隔离器、所述第一光耦合器、所述第二光隔离器、所述滤波极化延迟组件、所述第二光耦合器、所述第三光隔离器、所述掺铒光纤放大器组件和所述第四光隔离器构成光纤环形谐振器，所述系统的测量采用脉冲激光器作为光源，采用激光测量光束脉冲及参考光束脉冲，测量光束脉冲直接发射至有速度的物体，参考光束脉冲随后被存储在光纤存储回路中，构成低相干放大的储存脉冲式多普勒激光雷达光纤环形谐振器控制回路，测量光束脉冲和参考光束脉冲混合产生一个与多普勒频移频率相关的拍差信号；

其中，所述滤波极化延迟组件包括依次串联的延迟光纤、调谐滤波器和极化光纤；

所述掺铒光纤放大器组件包含依次串联的泵浦激光器、光合波器和掺铒光纤，所述光合波器接收所述第三光隔离器的输出信号和所述泵浦激光器的输出信号。

2.如权利要求1所述的脉冲多普勒激光雷达系统，其特征在于，所述脉冲多普勒激光雷达系统还包括光检测组件，所述光检测组件用于把光强度的波动转化成多普勒参考光束脉冲的电信号。

3.如权利要求2所述的脉冲多普勒激光雷达系统，其特征在于，所述脉冲多普勒激光雷达系统还包括频谱分析仪和一台光谱分析仪，所述光检测组件分别与频谱分析仪、所述光谱分析仪连接，用于观测波谱并确定参考光束脉冲信号的稳定度。

4.如权利要求2所述的脉冲多普勒激光雷达系统，其特征在于，所述第二光耦合器包含第三输出端和第四输出端，所述第三输出端的输出信号通过所述第三光隔离器传输给掺铒光纤放大器组件使用，所述第三输出端的输出信号传输给所述光检测组件，以监视所述第四光隔离器输出的激光信号。

5.如权利要求4所述的脉冲多普勒激光雷达系统，其特征在于，所述第三输出端和所述第四输出端的输出信号的功率耦合比为95%：5%。

6.如权利要求1所述的脉冲多普勒激光雷达系统，其特征在于，所述泵浦激光器输出波长为980nm的单激光信号、所述掺铒光纤长度为5至8米。

7.如权利要求1所述脉冲多普勒激光雷达系统，其特征在于，所述参考激光光源的发射信号为参考光束信号，所述调谐滤波器滤波的信号波长与所述参考光束信号波长相同。

8.一种脉冲多普勒激光雷达，其特征在于，所述脉冲多普勒激光雷达包含权利要求1至

7任一项所述的脉冲多普勒激光雷达系统。

说明书

脉冲多普勒激光雷达系统及脉冲多普勒激光雷达

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤激光技术领域，尤其涉及一种脉冲多普勒激光雷达系统及脉冲多普勒激光雷达。

背景技术

[0002] 激光雷达(LIDAR)测速的主要方法有下列二类：(1)激光雷达脉冲法测速。激光雷达脉冲法测速是在测距的基础上实现测速。(2)激光雷达相位法测速。激光雷达相位法测速，也可由激光雷达相位测距法多次测量距离来实现。目前应用多普勒效应的激光雷达多普勒位移频率(DSF)测量，是利用激光雷达的高相干性和高能量测量流体或固体速度。无论激光雷达脉冲法测速或激光雷达相位法测速，都必须有测量激光光源与参考激光光源，产生测量光束及参考光束，且都必须多次测量物体的速度。通常因为在大雾天气使用激光测速的效果可能会很差。为了测量较远的距离，就要求发射具有较高功率密度的高相干性光源。並且要求及激光参考光束，测量光束与参考光束的频率差约40MHz，经过光纤探激光脉冲的方向性要好。这样可以把激光脉冲的能量集中在较小的发散角内，以射得更远光斑更小，就可以准确判断目标的方位与速度。最常用的激光雷达(LIDAR)测速系统，是发射功率强大的激光测量光束头，形成一个椭球体的测量体，再经过光检测器把光强度的波动，转化成多普勒脉冲的电信号。多普勒脉冲的电信号经过信号处理器过滤和放大，然后经过快速傅立叶变换频率分析，确定多普勒位移频率(DSF)，进而获得测量光束的速度信息，影响信息的准确度包括有关测量的干涉条纹间距、探头的口径、焦距、激光的波长等。

[0003] 目前多普勒位移激光雷达测速(LIDAR)是一种成熟的激光雷达测速技术，但这个激光雷达测速系统的问题是为了测量较远的距离，就需要功率强大的激光光源，並且要求激光脉冲更好的方向性，就需要高相干性激光测量光束。这使得测量较远的距离时需要光束功率更高，导致成本较高且不便利。

发明内容

[0004] 本发明实施例提供一种脉冲多普勒激光雷达系统和脉冲多普勒激光雷达，以提高测量激光光源与参考激光光源的功率的成本较高问题。

[0005] 为了解决上述技术问题，本申请实施例提供一种脉冲多普勒激光雷达系统，包括依次串联激光雷达系统的参考激光光源输入端口、第一光隔离器、第一光耦合器、第二光隔离器、滤波极化延迟组件、第二光耦合器、第三光隔离器、掺铒光纤放大器组件和第四光隔离器；其中，所述第一光耦合器的输入端分别与所述第一光隔离器和所述第四光隔离器相连。

[0006] 可选地，所述滤波极化延迟组件包括依次串联的延迟光纤、调谐滤波器和极化光纤。

[0007] 可选地，述脉冲多普勒激光雷达系统还包括光检测组件，所述光检测组件用于把光强度的波动转化成多普勒参考光束脉冲的电信号。

[0008] 可选地，所述脉冲多普勒激光雷达系统还包括频谱分析仪和一台光谱分析仪，所述光检测组件分别与频谱分析仪、所述光谱分析仪连接，用于观测波谱并确定参考光束脉冲信号的稳定度。

[0009] 可选地，所述第二光耦合器包含第三输出端和第四输出端，所述第三输出端的输出信号通过所述第三隔离器传输给掺铒光纤放大器组件使用，所述第三输出端的输出信号传输给所述光检测组件，以监视所述第四隔离器输出的激光信号。

[0010] 可选地，所述第三输出端和所述第四输出端的输出信号的功率耦合比为95％：5％。

[0011] 可选地，所述掺铒光纤放大器组件包含依次串联的泵浦激光器、光合波器和掺铒光纤，其中，所述光合波器接收所述第三隔离器的输出信号和所述泵浦激光器的输出信号。

[0012] 可选地，所述泵浦耦合器输出波长为980nm的单激光信号、所述掺铒光纤长度为5至8米。

[0013] 可选地，所述参考激光光源输入端口发射信号为为参考光束信号，所述调谐滤波器滤波的信号波长与所述参考光束信号波长相同。

[0014] 为了解决上述技术问题，本申请实施例还提供一种脉冲多普勒激光雷达，所述脉冲多普勒激光雷达包括上述脉冲多普勒激光雷达系统。

[0015] 本发明实施例提供的脉冲多普勒激光雷达系统和光纤放大器，包括一种脉冲多普勒激光雷达系统，包括依次串联激光雷达系统的参考激光光源输入端口、第一光隔离器、第一光耦合器、第二光隔离器、滤波极化延迟组件、第二光耦合器、第三光隔离器、掺铒光纤放大器组件和第四光隔离器；其中，第一光耦合器的输入端分别与第一光隔离器和第四光隔离器相连。本实施例设置光纤环形谐振器(FRR)，确保参考光束脉冲序列(PT)信号工作在没有饱和效应和最佳信噪比。光纤环形存储谐振器(FRR)的设计使回路总增益稳定，确保了连续脉冲的振幅保持恒定，同时防止了激光振荡。使用可调谐滤波器与其他光学组件相结合，可以微调增益以获得最佳性能。可调滤波器设置为参考光束信号波长，偏振的角度是完全可以精确调整控制，以提供最佳的参考光束脉冲序列(PT)信号。本实施例中低相干放大的储存脉冲式多普勒激光雷达(LIDAR)光纤环形谐振器(FRR)控制回路的观念。可以混合产生一个与多普勒频移频率(DSF)相关的拍差信号(Beat Signal)。这种方法降低了相干性的要求，允许使用更便宜、更小、更低的相干源。同时也可以降低了测量激光光源与参考激光光源的功率要求。

附图说明

[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0017] 图1是本申请的脉冲多普勒激光雷达系统一个实施例的结构示例图；

[0018] 图2是本申请的脉冲多普勒激光雷达系统另一个实施例的结构示例图；

[0019] 其中，101为参考激光光源输入端口，102为第一光隔离器，103为第一光耦合器，104为第二光隔离器，105为滤波极化延迟组件，106为第二光耦合器，107为第三光隔离器，
108为掺铒光纤放大器组件，109为第四光隔离器，1010为光检测组件；

[0020] 其中，1051为延迟光纤、1052为调谐滤波器和1053为极化光纤，1081为泵浦激光器、1082为光合波器，1083为掺铒光纤。

具体实施方式

[0021] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

[0022] 在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

[0023] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0024] 请参阅图1，图1示出本发明实施例提供的一种脉冲多普勒激光雷达系统，包括依次串联激光雷达系统的参考激光光源输入端口101、第一光隔离器102、第一光耦合器103、第二光隔离器104、滤波极化延迟组件105、第二光耦合器106、第三光隔离器107、掺铒光纤放大器组件108和第四光隔离器109；其中，第一光耦合器103的输入端分别与第一光隔离器102和第四光隔离器109相连。

[0025] 本实施例设置光纤环形谐振器(FRR)，确保参考光束脉冲序列(PT)信号工作在没有饱和效应和最佳信噪比。光纤环形存储谐振器(FRR)的设计使回路总增益稳定，确保了连续脉冲的振幅保持恒定，同时防止了激光振荡。使用可调谐滤波器与其他光学组件相结合，可以微调增益以获得最佳性能。可调滤波器设置为参考光束信号波长，偏振的角度是完全可以精确调整控制，以提供最佳的参考光束脉冲序列(PT)信号。本实施例中低相干放大的储存脉冲式多普勒激光雷达(LIDAR)光纤环形谐振器(FRR)控制回路的观念。可以混合产生一个与多普勒频移频率(DSF)相关的拍差信号(Beat Signal)。系统的测量采用脉冲激光器作为光源，同时也采用激光测量光束脉冲及参考光束脉冲，测量光束脉冲直接发射至有速度的物体，而参考光束脉冲随后被存储在光纤存储回路中，当测量光束脉冲从目标返回时，参考光束脉冲已经移动了相当于测量光束脉冲路径长度的距离。然后测量光束脉冲和参考光束脉冲，可以混合产生一个与多普勒频移频率(DSF)相关的拍差信号(Beat Signal)。这种方法降低了相干性的要求，允许使用更便宜、更小、更低的相干源。同时也可以降低了测量激光光源与参考激光光源的功率要求。

[0026] 优选地，本实施例中，第一光耦合器103规则为(50:50 2x2)，第二光耦合器106规则为(95:5 2x2)，第一光耦合器103、第二光耦合器106、第一光隔离器、第二光隔离器、第三光隔离器和第四光隔离器共同组成光耦合隔离组件。

[0027] 具体地，参考光束信号从参考激光光源输入端口101输入，在第一光耦合器103的端口输出。参考光束信号通过第一光隔离器，在第一光耦合器另一端口1进入光纤环形存储谐振器(FRR)腔内。

[0028] 可选地，如图2所示，滤波极化延迟组件105包括依次串联的延迟光纤1051、调谐滤波器1052和极化光纤1053。

[0029] 可选地，脉冲多普勒激光雷达系统还包括光检测组件1010，光检测组件用于把光强度的波动转化成多普勒参考光束脉冲的电信号。在进行监测过程中，必须利用部件调整因素，光隔离器、延迟光纤、调谐滤波器和极化光纤，以避免自由运转的激光振荡，并防止参考脉冲序列(PT)信号的振幅指数增加。

[0030] 可选地，脉冲多普勒激光雷达系统还包括频谱分析仪和一台光谱分析仪，光检测组件1010分别与频谱分析仪、光谱分析仪连接，用于观测波谱并确定参考光束脉冲信号的稳定度。

[0031] 其中，频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。仪器内部若采用数字电路和微处理器，具有存储和运算功能；配置标准接口，就容易构成自动测试系统。本实施例中，由频谱分析仪用于观测波谱，确定反馈信号的稳定度，使泵浦激光器的功率控制调整适当。

[0032] 可选地，第二光耦合器106包含第三输出端和第四输出端，第三输出端的输出信号通过第三隔离器传输给掺铒光纤放大器组件108使用，第三输出端的输出信号传输给光检测组件，以监视第四隔离器输出的激光信号。

[0033] 可选地，第三输出端和第四输出端的输出信号的功率耦合比为95％：5％。

[0034] 可选地，掺铒光纤放大器组件包含依次串联的泵浦激光器1081、光合波器1082和掺铒光纤1083，其中，光合波器1082接收第三隔离器的输出信号和泵浦激光器的输出信号。

[0035] 可选地，泵浦耦合器1081输出波长为980nm的单激光信号、掺铒光纤1083长度为5至8米。

[0036] 参考光束脉冲信号与泵浦耦合器1081发射的泵浦激光在光合波器的端合并后，进行掺铒光纤放大。经掺铒光纤1083放大的参考光束脉冲信号，从第一光耦合器103的端口输出，如此不断的在光纤环形存储谐振器(FRR)腔内循环谐振，于是最后就产生了连续的参考光束串列(PT)信号。放大的参考光束信号的一半成为第一光耦合器103的端口的第二个放大的参考光束脉冲信号输出，另一半成为光纤环形存储谐振器(FRR)中的下一个放大的参考光束脉冲信号。

[0037] 可选地，参考激光光源输入端口101发射信号为为参考光束信号，调谐滤波器1052滤波的信号波长与参考光束信号波长相同。

[0038] 其中，光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性。通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离。光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。光隔离器的特性是：正向插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高。光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，作用是对光的方向进行限制，使光只能单方向传输，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，提高光波传输效率。

[0039] 其中，光耦合器(Optical coupler)，都是以光作为媒体来传输电信号的一组光电元件装置，光耦合器負责激光信号与电的信号混波耦合(Mixed coupling)。

[0040] 具体地，在第一光耦合器103端口的参考光束脉冲信号，将进入光纤环形存储谐振器(FRR)腔内被放大存储。首先参考光束脉冲信号通过延迟滤波极化组件105调谐控制，包含延迟光纤1051、调谐滤波器1052和极化光纤1053等，然后参考光束脉冲信号到达功率衰减0.25dB的第二光耦合器106的端口上。参考光束脉冲信号在第二光耦合器106的端口时，有约5％的参考光束脉冲信号被分离用于测试，会被分离到第二光耦合器106的另一端口上输出到光检测器1010，将这5％的参考光束脉冲信号转换成电子信号，可外接一台频谱分析仪和一台光谱分析仪观测波谱，确定参考光束脉冲信号的稳定度。同时，95％作为存储的参考光束脉冲信号通过第三光隔离器107，进入光合波器1082的端口掺铒光纤放大器(EDFA)的系统，然后在光合波器1082的另一端口为泵浦激光器1081发送的泵浦激光，与光合波器1082的端口的参考光束脉冲，在光合波器1082合波耦合，然后进入约5～8米的掺铒光纤
1083，将这参考光束脉冲信号放大，这掺铒光纤放大器(EDFA)的放大增益，是要弥补参考光束脉冲信号，经过光纤环形存储谐振器(FRR)中的每一个光电组件的功率衰减损失。

[0041] 掺铒光纤放大器(EDFA)由980nm泵浦激光器通过光合波器抽取运送。选择980nm，因为这是最有效的泵浦波长放大1550nm的信号。放大的参考光束信号通过第四光隔离器传播到第一光耦合器103。此时这个放大的参考光束信号的一半就成为第一光耦合器103的第二个输出脉冲。

[0042] 另一半放大的第二个参考光束信号在第一光耦合器103的端口成为光纤环形存储谐振器中的下一个参考光束脉冲再被放大存储。再通过延迟滤波极化组件105调谐控制，包含延迟光纤1051、调谐滤波器1052和极化光纤1053等，然后参考光束脉冲在功率衰减0.25dB的第二光耦合器106的端口上。放大的第二个参考光束通过第三光隔离器107，进入光合波器1082的端口掺铒光纤放大器(EDFA)的系统，然后在光合波器1082的端口为泵浦激光器1081发送的泵浦激光，与光合波器1082的端口的参考光束脉冲信号，在光合波器1082的端口合波耦合，然后进入约5～8米的掺铒光纤，将这第二个参考光束脉冲放大，经掺铒光纤放大的第二个参考光束脉冲信号，从第一光耦合器103的端口输出，此时这个放大的第二个参考光束信号的一半，就成为第一光耦合器103端口的第三个输出脉冲。如此不断的在光纤环形存储谐振器(FRR)腔内循环谐振，这样光纤环形存储谐振器就产生了连续的放大的参考光束脉冲串列(PT)信号。

[0043] 测量光束由波长为1550nm的100ns长的激光脉冲组成。该光纤环形存储谐振器采用了以光放大器为核心器件的光纤存储回路。掺铒光纤放大器(EDFA)的增益特性依赖于大量的器件参数，如:铒离子浓度、放大器长度、核心半径、带宽、泵浦功率等。这些因素必须仔细利用，以避免自由运行的激光振荡和防止参考脉冲序列(PT)信号的振幅指数增长。

[0044] 光学隔离器确保光只在一个方向传播。在放大的参考光束光纤环形存储谐振器(FRR)腔内，使用四个隔离器1～4来消除由掺铒光纤发出的向后放大的自发发射和任何来自光纤环形存储谐振器中连接器的反射。总的来说，该装置类似于一个注入种子环形激光器。该光纤环形存储谐振器(FRR)包含的组件元件，大多是为了提高放大过程的噪声和稳定性所必需的。

[0045] 本实施例通过设置光纤环形谐振器(FRR)，确保参考光束脉冲序列(PT)信号工作在没有饱和效应和最佳信噪比。光纤环形存储谐振器(FRR)的设计使回路总增益稳定，确保了连续脉冲的振幅保持恒定，同时防止了激光振荡。使用可调谐滤波器与其他光学组件相结合，可以微调增益以获得最佳性能。可调滤波器设置为参考光束信号波长，偏振的角度是完全可以精确调整控制，以提供最佳的参考光束脉冲序列(PT)信号。本文提出低相干放大的储存脉冲式多普勒激光雷达(LIDAR)光纤环形谐振器(FRR)控制回路的观念。可以混合产生一个与多普勒频移频率(DSF)相关的拍差信号(Beat Signal)。这种方法降低了相干性的要求，允许使用更便宜、更小、更低的相干源。同时也可以降低了测量激光光源与参考激光光源的功率要求。

[0046] 应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

[0047] 为解决上述技术问题，本实施例还提供一种脉冲多普勒激光雷达，该脉冲多普勒激光雷达包含上述脉冲多普勒激光雷达系统。

[0048] 显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。