收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统技术方案

本公开提供一种收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，包括：偏振光源，发出偏振光；透反射分束模块，包括穿孔反射镜，用于处理偏振光；望远镜，用于接收透反射分束模块处理后的、沿收发同轴光路输入的偏振光并出射至远距离目标，再接收由远距离目标反射后的回波；组合滤波器，与透反射分束模块相连，对透反射分束模块反射的回波光谱滤波；耦合透镜，与组合滤波器相连，用于将组合滤波器滤波后的回波进行聚束；检偏器，与耦合透镜相连，用于将耦合透镜聚束后的回波中的相互正交的偏振光分离；单光子探测器，与偏振分束器相连，用于探测从偏振分束器中透过的回波光子；以及信号源，用于向偏振光源发出触发信号，同时向单光子探测器发出门控信号。

Polarization Isolation Denoising System for Coaxial Lidar Transceiver and Transceiver

【技术实现步骤摘要】
收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统
本公开涉及激光雷达领域，尤其涉及一种收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统。
技术介绍
激光雷达常使用扫描成像的方式，通过发射激光光束在飞行时间扫描成像的方式实现对一个场景的三维成像，飞行时间的测量提供深度信息，二维的扫描提供该深度的方位信息，整合后通过有效的数据处理重构出场景的三维图像。在远距离的三维成像应用中，室外的场景常常带有大量的太阳辐射背景，造成采集的数据带有大量的噪声。如何抑制太阳背景噪声已成为一个重要的技术问题。而除了太阳背景噪声外，还有由于发射光束通过本地的光学器件产生大量的后向散射所引入的大量本地噪声。特别是为了提高发射功率的利用效率，拓展更宽的工作距离范围，使远方的光斑中心和视场中心在不同的成像距离都能够保持重合，而使用收发同轴设计的时候，即使在镜片镀上增透膜或增反膜，由于远距离成像的高发射功率要求和相对极微弱的回波信号，对本地噪声的抑制有着非常苛刻的要求。本地噪声的抑制成为远距离主动成像的一个技术难题。一般的激光雷达会采用一些手段进行降噪，例如使用光谱滤波片，一般采用纳米级带宽的带宽滤波片，放置在接收光路之中，只探测发射激光波长附近一小部分(数纳米)，以此来减少太阳光噪声的接收。而本地散射噪声，则主要会采用非同轴收发的方式，也是目前已实用的激光雷达产品多采用的方式。但非同轴收发的方式接受视场和发射视场会存在视差，这使雷达难以同时适用于近距离和远距离。而使用同轴收发的方式的雷达，一般采用大功率的光源来保证较高信噪比的数据采集，但鲜有超过十公里级的成像能力。除此以外，使用一些探测技术也能够在一定程度上减少噪声的影响，在文献[1]中，作者提出了采用分束后使用两个单光子探测器同时测量，并对测量结果进行与操作后再进行记录。这样的方法能够降低背景噪声和探测器暗计数带来的噪声计数，但因为‘与操作’的存在，也降低了对信号光子的探测效率，需要每个脉冲返回的信号光子数足够多，在文献中提出，当每个脉冲返回的信号光子数大于10个时，该方案可以有效地降低噪声计数，且保证足够的信号光子计数。这样的方案在近距离情况下可以适用，但在达到几十公里的远距离成像情况下，很难保证每个脉冲返回超过10个信号光子。除了通过硬件的技术手段，更多的还是通过数据后处理来从噪声计数中最大程度的还原信号计数。[1].KongHJ，KimTH，JoSE，eta1.Smartthree-dimensionalimagingladarusingtwoGeiger-modeavalanchephotodiodes[J].Opticsexpress，2011，19(20)：19323-19329.公开内容(一)要解决的技术问题基于上述问题，本公开提供了一种收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，以缓解现有技术中激光雷达中存在的高噪声、信噪比低，成像距离较近等技术问题。(二)技术方案本公开提供一种收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，包括：偏振光源，发出偏振光；透反射分束模块，包括穿孔反射镜，用于处理所述偏振光；望远镜，用于接收所述透反射分束模块处理后的、沿收发同轴光路输入的偏振光并出射至远距离目标，再接收由远距离目标反射后的回波；组合滤波器，与所述透反射分束模块相连，用于对所述透反射分束模块反射的回波光谱滤波；耦合透镜，与所述组合滤波器相连，用于将组合滤波器滤波后的回波进行聚束；检偏器，与所述耦合透镜相连，用于将所述耦合透镜聚束后的回波中的相互正交的偏振光分离；单光子探测器，与所述偏振分束器相连，用于探测从所述偏振分束器中透过的回波光子；以及信号源，用于向所述偏振光源发出触发信号，同时向所述单光子探测器发出门控信号。在本公开实施例中，所述偏振光源，包括：脉冲激光器，用于产生脉冲光；极化分束器，用于将所述脉冲激光器产生的脉冲光起偏成水平偏振光；以及半波片，其主轴与入射光的偏振方向夹角按45°设置，用于将所述水平偏振光处理为垂直偏振光。在本公开实施例中，所述组合滤波器为滤波片的组合，所述滤波片包括一片长带通滤波片以及一片窄带通滤波片。在本公开实施例中，所述穿孔反射镜斜向设置。在本公开实施例中，所述检偏器过滤回波中与发射激光偏振方向相同的分量，留下偏振方向不同的分量进行探测，实现偏振隔离去噪。在本公开实施例中，所述检偏器过滤回波中垂直偏振光，留下水平偏振光耦合进光纤中实现偏振隔离去噪。在本公开实施例中，所述光纤芯径25～105um。在本公开实施例中，所述检偏器中包括：偏振分束器。在本公开实施例中，所述单光子探测器为门控模式，开门时间设定在所述脉冲光产生时刻后的1us-10us。在本公开实施例中，所述收发同轴光路包括：扫描光路、缩聚束光路。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：(1)通过检偏器或者偏振分束器的简单组合利用，即可有效抑制采用同轴收发系统的本地器件噪声，使用器件少，可在基本光路基础上扩展；(2)能够有效抑制主动激光成像系统中，因采用含有高功率光纤放大器的光源带来的全时间存在，难以利用光谱特性过滤的ASE噪声的问题；(3)拓展了主动激光成像的成像距离；(4)满足远距离激光主动三维成像需求的去噪效果；(5)有效抑制接收到的太阳光噪声和本地噪声；(6)显著抑制本地ASE后向散射噪声；(7)应用在数十公里的远距离激光三维成像中，能够提高信噪比，减低算法重构的难度，提高算法重构的准确度。附图说明图1为本公开实施例收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统架构示意图。图2为本公开实施例收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统具体实施示意图。具体实施方式本公开提供了一种收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，在原有包括空间滤波、光谱滤波和时间滤波等传统去噪方法的基础上，提出偏振隔离去噪方法，并将多种去噪手段综合使用，最终达到满足远距离激光主动三维成像需求的去噪效果；其在收发同轴式的远距离激光成像中，利用偏振隔离的方法，隔离偏振不同的信号光和噪声光，减少噪声光子的接收探测。空间滤波，包括使用芯径较小的光纤作为耦合器件，利用光纤接收光束空间模式的限制作用起到空间滤波的作用，有效抑制接收到的太阳光噪声。光谱滤波，使用频谱宽度较窄的脉冲光(纳米级或优于纳米级)，在接收回波前增加光谱滤波器，过滤非激光频宽内的光谱能量，有效抑制接收到的太阳光噪声。时间滤波，使用门控模式工作的单光子探测器，在发射光束刚开始发射的时候关闭其探测使能，在超过本地噪声返回时间后打开使能探测有效的回波信号，有效抑制本地噪声但是即使使用上述的降噪方法后，在远距离成像的应用中，若采用了最为常用的光纤脉冲激光器作为光源，则会受到放大器自发辐射(AmplifierSpontaneousemissionnoise，ASE)噪声的严重影响。这是由于光源中包含了用于把种子脉冲能量放大的激光功率放大器，在把脉冲功率放大的过程中，会产生了大量的放大器自发辐射噪声，且只要放大器持续工作，噪声在全时间都会存在。激光器发出的放大自发辐射噪声与发射光脉冲的功率成正比，又因为远距离主动成像中有较强的发射功率需求，大功率的发射会带来大量的ASE噪声，所以经过本地光学元件的反射后，ASE本地噪声成为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，包括：偏振光源，发出偏振光；透反射分束模块，包括穿孔反射镜，用于处理所述偏振光；望远镜，用于接收所述透反射分束模块处理后的、沿收发同轴光路输入的偏振光并出射至远距离目标，再接收由远距离目标反射后的回波；组合滤波器，与所述透反射分束模块相连，用于对所述透反射分束模块反射的回波光谱滤波；耦合透镜，与所述组合滤波器相连，用于将组合滤波器滤波后的回波进行聚束；检偏器，与所述耦合透镜相连，用于将所述耦合透镜聚束后的回波中的相互正交的偏振光分离；单光子探测器，与所述偏振分束器相连，用于探测从所述偏振分束器中透过的回波光子；以及信号源，用于向所述偏振光源发出触发信号，同时向所述单光子探测器发出门控信号。

【技术特征摘要】
1.一种收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，包括：偏振光源，发出偏振光；透反射分束模块，包括穿孔反射镜，用于处理所述偏振光；望远镜，用于接收所述透反射分束模块处理后的、沿收发同轴光路输入的偏振光并出射至远距离目标，再接收由远距离目标反射后的回波；组合滤波器，与所述透反射分束模块相连，用于对所述透反射分束模块反射的回波光谱滤波；耦合透镜，与所述组合滤波器相连，用于将组合滤波器滤波后的回波进行聚束；检偏器，与所述耦合透镜相连，用于将所述耦合透镜聚束后的回波中的相互正交的偏振光分离；单光子探测器，与所述偏振分束器相连，用于探测从所述偏振分束器中透过的回波光子；以及信号源，用于向所述偏振光源发出触发信号，同时向所述单光子探测器发出门控信号。2.根据权利要求1所述的收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，所述偏振光源，包括：脉冲激光器，用于产生脉冲光；极化分束器，用于将所述脉冲激光器产生的脉冲光起偏成水平偏振光；以及半波片，其主轴与入射光的偏振方向夹角按45°设置，用于将所述水平偏振光处理为垂直偏振光。3.根据权利要求1所述的收发同...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐飞虎，黎正平，曹原，彭承志，潘建伟，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34