一种激光测距的激光回波信号信噪比增强装置及增强方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种激光测距的激光回波信号信噪比增强装置，该装置用于接收发射激光的激光回波或后向散射光，包括沿激光回波的光路走向在一光轴上依次排布的望远镜、增益泵浦放大模块、声光偏转调制器、小孔光阑、准直镜和探测器。本发明专利技术采用声光偏转调制器，从而实现对激光回波与大气后向散射的分离，实现对大气后向散射光的规避；同时采用增益泵浦放大模块实现对激光回波的光放大，增强了激光回波强度，减弱了后向散射光的噪声，提高了信噪比。

A signal to noise ratio enhancement device and enhancement method for laser echo signal of laser range finder

The laser echo signal SNR enhancement device of the invention discloses a laser rangefinder, the device for transmitting laser echo or laser backscattering, including light path along the laser echo to successively arranged in a telescope on the optical axis, the pump gain amplifier module, sound light deflection modulator, little Kong Guanglan, a collimating mirror and detector. The invention adopts the acousto-optic modulator, thus realizing the laser echo and atmospheric backscattering separation of atmospheric backscattering light avoidance; while using gain amplification module of laser echo optical amplification, enhanced laser echo intensity, noise scattering weakened, improves signal-to-noise ratio.

【技术实现步骤摘要】
一种激光测距的激光回波信号信噪比增强装置及增强方法
本专利技术属于激光测距领域，更具体地讲，涉及一种用于太空碎片测距系统的激光回波光放大及信噪比增强装置和增强方法。
技术介绍
随着空间技术的进步，人类进入和平太空的活动也不断增强，但是也产生了越来越多的太空碎片，太空碎片是指除正常工作的航天器外所有在轨的人造物体，包括完成任务的火箭箭体和卫星本体、火箭的喷射物、在执行航天任务过程中的抛弃物、空间物体之间碰撞产生的碎片等，也称“空间垃圾”。目前太空中毫米级以上的太空碎片数以亿计，总数量达到几千吨，全球已经向空中发射了6500多枚航天器，废弃卫星达到5000多颗，这些卫星随时有可能坠入地球。厘米级以上的太空碎片可以导致航天器彻底损坏，而毫米级或微米级太空碎片的撞击累计效应将导致航天器性能下降或者功能失效。太空碎片的存在严重地威胁着在轨运行航天器的安全，太空碎片的不断产生对有限的轨道资源也构成了严重的威胁。同时，太空碎片的陨落也将对地面人员与财产安全造成严重威胁。中国是空间大国，今后的空间活动将越来越多，特别是国内要发展载人航天和天基信息网，为了航天活动的安全和持续地开发利用空间资源，就必须不断发展对太空碎片跟踪监视的新技术，增强对太空碎片环境的分析预警能力。太空碎片大概分布在离地面几百至几千公里的太空中，甚至更高的轨道。在激光测距系统，激光入射至太空碎片上，绝大情况为漫反射，即太空碎片对于地面发射激光的反射是各个方向的，导致太空碎片反射的激光反射到地面上的分布面积比较大，激光光子数密度极低，激光回波信号特别微弱。单光子探测器能够实现对单个光子的响应，灵敏度高，很适合微弱光信号的接收，通常将其作为激光回波信号的接收器，实现远距离激光回波信号的探测。一方面由于太空碎片反射回来的激光回波信号特别微弱，很容易被背景噪声或激光大气散射光覆盖，信噪比比较低，增大了探测难度。另一方面，单光子探测器其工作时，当其探测到一个光子的时候，其就停止工作，后续光子将探测不到，而激光在大气传输过程中，受大气后向散射的影响，散射回来的光将经望远镜系统至单光子探测器，容易对太空碎片反射回来的激光回波造成干扰，导致后续的激光回波入射至探测器上时，探测器已经停止工作了，探测概率大大减弱，增大了太空碎片反射激光回波的探测难度；同时，当后向散射返回的光子数达到一定值时，容易造成单光子探测器的损坏，这样为了避免单光子探测器的损坏，发射激光的强度以及有效测量卫星的天气时间就受到了限制。也就使得太空碎片激光回波很难通过增强激光发射功率实现信号增强。为充分的提高激光回波信号，一般采用电子电路的方法提高对激光回波的识别能力。赵子任，吕勇，牛春晖在2014年电子测量技术期刊第37卷第3期《基于锁定放大的激光回波探测系统》中将PIN光电二极管探测到的激光回波由前置放大电路和二级放大电路转换为电压信号并放大，再经带通滤波器滤除带外噪声，最后通过相敏检波电路，转换为与回波光强成正比的直流电压信号输出，抑制噪声，被测信号的信噪比得以改善。同年安微奇瑞汽车股份有限公司公开了一种激光测距系统的回波信号放大电路(申请号201410298976.1)。该放大电路采用高带宽，高信噪比，高输入阻抗放大器，保证了光电转换后的回波信号不会淹没在噪声中。以上两项技术均是从电子电路放大方面对激光回波信号进行处理增强信号的探测。电子电路对激光回波信号的放大，只是对激光回波光电转换的电信号进行放大的，受制于激光回波的强度，当激光回波的强度十分微弱的时候，达不到光电转换的转换临界要求时，很难探测到激光回波光信号，同时当背景光噪声比较强的时候，激光回波光信号被淹没在光噪声中，光电转换的电信号不是真实的激光回波信号，探测激光回波信号的失真度比较大。在重庆邮电大学2010年公开的专利(申请号201010574638.8)中，公开了一种中继光放大的合作目标激光测距方法及装置，该装置采用在被测合作目标上采用光放大器对测距激光信号进行中继光放大，然后再向测距站返回放大了的光信号，克服了远距离激光测距中发射激光功率不足的弱点，特别是在远距离卫星激光测距或月球测距应用中。采用合作目标(卫星)中继光放大的方式，激光在合作目标(卫星)得到增强，提高了激光回波信号的强度，但由合作目标(卫星)携带光放大器以实现对激光信号的放大，占据了合作目标自身的体积、重量、功耗，增大了合作目标的成本，结构要求复杂，特别是卫星的成本，而且对于太空碎片这种不可控的非合作目标，一般不可能携带中继光放大系统。同时单采用中继光放大的方式对于地面接受的后向散射等噪声光得不到避免。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种激光测距的激光回波信号信噪比增强装置，以在实现信噪比增强的同时实现后向散射规避。本专利技术采用技术方案如下：本专利技术提供了一种激光测距的激光回波信号信噪比增强装置，该装置用于接收发射激光的激光回波或后向散射光，包括沿激光回波的光路走向在一光轴依次排布的望远镜、增益泵浦放大模块、声光偏转调制器、小孔光阑和探测器。由此，本专利技术提供的激光测距的激光回波信号信噪比增强装置具有以下有益效果：为实现激光回波与后向散射光以及泵浦增益模块荧光的分离，本专利技术采用声光偏转调制器与小孔光阑，当激光回波通过时，声光偏转调制器不工作，激光回波透过小孔，进准直镜入射至探测器上，信号被探测，当后向散射光与荧光通过时，声光偏转调制器工作，后向散射光与荧光绝大部分发生偏移，只有十分弱的一部分进准直镜，探测器不会探测到该信号，从而声光偏转调制器实现对激光回波与大气后向散射的分离，实现对大气后向散射光的规避；同时采用增益泵浦放大模块实现对激光回波的光放大，增强了激光回波强度，减弱了后向散射光的噪声，提高了信噪比。优选地，所述小孔光阑上设有由所述光轴贯穿的小孔，且所述小孔光阑位于望远镜的焦平面上。优选地，所述小孔光阑的小孔孔径的调节范围为100um～2mm。所述声光偏转调制器对光的偏转效率大于85％，且所述激光的激光回波的波长位于所述声光偏转调制器的工作波长的范围内。小孔光阑和探测器之间的光轴上设有一准直镜，该准直镜设置为将光准直为平行光。优选地，所述望远镜、增益泵浦放大模块、声光偏转调制器、准直镜、探测器的光学元件上均镀有与激光回波光波段相一致的高透膜。优选地，所述探测器为光电探测器。优选地，所述探测器为单光子探测器。本专利技术还提供了一种采用权利要求1所述激光回波信号信噪比增强装置增强该信噪比的方法，包括：步骤S1：发射一激光脉冲至一待测物体，该待测物体反射激光回波或发生后向散射；步骤S2：在激光脉冲发射完毕后到预期的激光回波时刻前，开启声光偏转调制器，望远镜接收所述激光脉冲的后向散射光，所述后向散射光沿望远镜光路传播至所述光轴上，并沿光轴依次透过增益泵浦放大模块和声光偏转调制器，在透过声光偏转调制器后偏移该光轴至小孔光阑的屏障上；步骤S3：在预期的激光回波入射时刻附近，关闭所述声光偏转调制器，使得所述望远镜接收所述激光脉冲的激光回波，该激光回波沿光轴依次透过增益泵浦放大模块、声光偏转调制器和小孔光阑上的小孔入射至所述探测器。优选地，所述探测器为单电子探测器，且所述步骤S3还包括：在所述探测器测得所述激光回波后，开启声光偏转调制器，使得返回的入射光重复步骤S2所述的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光测距激光回波信号信噪比增强装置(10)，其特征在于，该装置(10)用于接收发射激光的激光回波或后向散射光，包括沿激光回波的光路走向在一光轴(I)上依次排布的望远镜(1)、增益泵浦放大模块(2)、声光偏转调制器(3)、小孔光阑(4)和探测器(6)。

【技术特征摘要】
1.一种激光测距激光回波信号信噪比增强装置(10)，其特征在于，该装置(10)用于接收发射激光的激光回波或后向散射光，包括沿激光回波的光路走向在一光轴(I)上依次排布的望远镜(1)、增益泵浦放大模块(2)、声光偏转调制器(3)、小孔光阑(4)和探测器(6)。2.根据权利要求1所述的激光测距的激光回波信号信噪比增强装置，其特征在于，所述小孔光阑(4)上设有由所述光轴(I)贯穿的小孔，且所述小孔光阑(4)位于望远镜(1)的焦平面上。3.根据权利要求2所述的激光测距的激光回波信号信噪比增强装置，其特征在于，所述小孔光阑(4)的小孔孔径的调节范围为100um～2mm。4.根据权利要求1所述的激光测距的激光回波信号信噪比增强装置，所述声光偏转调制器(3)对光的偏转效率大于85％。5.根据权利要求1所述的激光测距的激光回波信号信噪比增强装置，其特征在于，小孔光阑(4)和探测器(6)之间的光轴(I)上设有一准直镜(5)，该准直镜(5)设置为将光准直为平行光。6.根据权利要求5所述的激光测距的激光回波信号信噪比增强装置，其特征在于，所述望远镜(1)、增益泵浦放大模块(2)、声光偏转调制器(3)、准直镜(5)、探测器(6)的光学元件上均镀有与激光回波光波段相一致的高透膜。7.根据权利要求1所述的激光测距的激光回波信号信噪比增强装...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙明亮，程志恩，邓华荣，王楠，汤凯，吴志波，张忠萍，
申请(专利权)人：中国科学院上海天文台，
类型：发明
国别省市：上海,31