本发明专利技术属于雷达技术领域，具体涉及一种光纤式同轴激光雷达、光纤式同轴雷达中串扰噪声的消除方法和降噪装置，以及基于光纤式同轴激光雷达的大气气溶胶探测方法。光纤式同轴激光雷达包括由激光器、环形器、扫描系统和探测器构成的同轴收发系统，以及空间光斩波器和信号降噪模块。空间光斩波器安装在同轴收发系统中望远镜的出射端；空间光斩波器用于调节进入到望远镜内的外部信号的通断性，信号降噪模块用于采用差分算法将原始回波信号处理成滤除串扰噪声的回波信号。利用开发出的新型同轴激光雷达完成大气气溶胶浓度分析或其它气象探测任务时，可以在保证相关数据探测精度的同时，有效降低设备的安装成本、使用难度和维护成本。本。本。
【技术实现步骤摘要】
一种光纤式同轴激光雷达、降噪装置及其气溶胶探测方法
[0001]本专利技术属于雷达
，具体涉及一种光纤式同轴激光雷达、光纤式同轴雷达中串扰噪声的消除方法和降噪装置，以及基于光纤式同轴激光雷达的大气气溶胶探测方法。
技术介绍
[0002]激光雷达是一种主动光学遥感技术，具有高精度、高时空分辨率、远距离探测等优点，在气象参数探测、环境感知、特殊军事等方面具有广泛的应用。激光雷达发射的激光束与目标作用后，通过直接探测或相干探测可以得到目标的某些空间物理特性。
[0003]按照信号传输方式激光雷达可分为空间光式和光纤式激光雷达两类。按照雷达中收发机的光轴是否重合，激光雷达又可以分为同轴系统和离轴系统两大类。其中，离轴系统的发射机和接收机由两个不同望远镜构成，分别对激光进行准直扩束和耦合，使用时需将两个望远镜光轴调整为完全平行，同时，还需要依据两望远镜视场的几何重叠因子对望远镜的焦距和间距进行调整。采用离轴系统的激光激光雷达的前期光学系统设计较为复杂、调试过程繁琐，接收光路与发射光路分离还带来了大体积和高成本的问题。此外，该系统在应用时还需要频繁维护以补偿震动、温度变化等导致的机械位移。
[0004]同轴系统的激光雷达中使用单个望远镜进行收发。相比于离轴系统，同轴系统可以有效地降低成本、体积，优化系统复杂度和鲁棒性。同轴系统与离轴系统相比优势明显，但是同轴系统也具有一个固有的缺陷，即同轴激光雷达通常具有较高的系统串扰噪声。当同轴激光雷达应用于大气气溶胶浓度等直接探测类任务时，这种串扰噪声会对探测精度造成极大影响，导致探测结果严重偏离真实值。
[0005]因此，考虑到使用同轴激光雷达系统进行直接探测时，出射光路与接收光路存在串扰导致信噪比急剧降低，会存在探测距离降低，数据准确性差等缺陷而无法满足使用需求。现有的光纤式同轴激光雷达通常仅适用于风速测量等相干探测类任务，而无法应用于气溶胶分布等直接探测任务中。气溶胶分布探测通常仍需采用较为复杂的离轴系统激光雷达。
技术实现思路
[0006]为了解决现有光纤式同轴激光雷达无法应用于大气气溶胶等强度探测任务的问题，本专利技术提供一种光纤式同轴激光雷达、光纤式同轴雷达中串扰噪声的消除方法和降噪装置，以及基于光纤式同轴激光雷达的大气气溶胶探测方法。
[0007]本专利技术采用以下技术方案实现：
[0008]一种光纤式同轴激光雷达，其包括由激光器、环形器、扫描系统和探测器构成的同轴收发系统。特别地，该光纤式激光雷达还包括空间光斩波器和信号降噪模块。
[0009]其中，空间光斩波器安装在同轴收发系统中望远镜的出射端。空间光斩波器用于调节进入到望远镜内的外部信号的通断性，进而使得探测器在一个完整的信号周期T内的
不同时段分别接收到包含两种信号成分的原始回波信号。其中一个信号成分a包含外部信号，另一个信号成分b不包含外部信号。
[0010]信号降噪模块的作用就是利用原始回波信号中包含两种信号成分，对原始回波信号包含的串扰噪声进行降噪处理。信号降噪模块接收到原始回波信号，先将原始回波信号分离成仅包含信号成分a的第一离散信号和仅包含信号成分b的第二离散信号。然后通过重采样的方式将第一离散信号和第二离散信号在各周期内的部分从短周期扩展成完整周期，进而得到第一扩展信号和第二扩展信号。接着根据各信号成分的时间戳对第一扩展信号和第二扩展信号进行时间轴对齐。对齐后，再对第一扩展信号和第二扩展信号进行差分处理，得到滤除串扰噪声的回波信号。
[0011]在本专利技术提供的安装有空间光斩波器的光纤式同轴激光雷达中，采集的信号中的串扰噪声与系统的硬件结构有关。本专利技术将空间光斩波器关断状态下，探测器测量到的无外部信号的数据作为对系统内部串扰噪声的标定。将空间光斩波器导通状态下，探测器获取的有外部信号的数据认为是串扰噪声和外部信号的叠加。因此，在一个周期内同时包括两种信号成分时，利用本专利技术提供的信号降噪模块可以将原始回波信号通过差分处理的方式转换为消除串扰噪声的回波信号。
[0012]作为本专利技术进一步的改进，当信号降噪模块获取到的原始回波信号中的部分周期在采样时因包含无法处理的干扰而被滤除后，信号降噪模块在得到第一扩展信号和第二扩展信号后，先采用插值算法对滤除后的信号中缺失的部分周期的数据进行补齐，然后再对第一扩展信号和第二扩展信号进行时间轴对齐和差分处理；对齐差分和插值补全后信号的先后顺序不固定。
[0013]在本专利技术的技术方案中，环形器包括端口1、端口2和端口3。环形器的端口1、端口2分别连接激光器和望远镜，构成同轴收发系统的信号发射部分。环形器的端口2、端口3分别连接望远镜和探测器，构成同轴收发系统的信号接收部分。
[0014]在本专利技术的技术方案中，环形器通过光纤进行光信号传输；环形器的端口1和端口2之间信号从1到2单向传输；端口2和端口3之间信号从2到3单向传输。
[0015]在本专利技术的技术方案中，望远镜用于对激光器发射的激光进行准直扩束，同时接收探测目标的回波信号；扫描系统用于调整望远镜发出的准直激光束的发射方向，进而对准待检测的目标区域。
[0016]作为本专利技术进一步的改进，环形器的端口3至探测器间还设置有光开关和滤波器。光开关用于对传输至探测器的光信号进行调制以过滤掉光脉冲串扰；滤波器用于对输入到探测器的光信号进行滤波。
[0017]专利技术还包括一种光纤式同轴激光雷达的串扰噪声消除方法，该串扰噪声消除方法包括如下步骤：
[0018]S1：在光纤式同轴激光雷达的望远镜出射端安装一个空间光斩波器。
[0019]S2：根据光纤式同轴激光雷达的原始回波信号的积分频率预设空间光斩波器的斩波频率，以使得原始回波信号的每个信号周期T分为至少两个子周期，空间光斩波器在任意两个相邻的子周期内分别在导通模式和关断模式间切换。
[0020]S3：获取光纤式同轴激光雷达的探测器接收到原始回波信号，定义原始回波信号的每个周期中信号成分a包含外部信号，信号成分b不包含外部信号。然后进行如下的降噪
处理：
[0021]S31：将原始回波信号分离成仅包含信号成分a的第一离散信号和仅包含信号成分b的第二离散信号。
[0022]S32：通过重采样的方式将第一离散信号和第二离散信号在各周期内的部分从短周期扩展成完整周期，进而得到第一扩展信号和第二扩展信号。
[0023]S33：根据各信号成分的时间戳对第一扩展信号和第二扩展信号进行时间轴对齐。
[0024]S34：对第一扩展信号和第二扩展信号进行差分处理，得到滤除串扰噪声的回波信号。
[0025]作为本专利技术进一步的改进，当原始回波信号经滤波处理而丢失部分周期内的信息时，则在步骤S33前通过插值算法根据相邻周期内的信息对第一扩展信号和第二扩展信号中缺失的部分周期内的数据进行补齐，然后再执行步骤S33的时间轴对齐和步骤S34的差分处理步骤。
[0026]本专利技术还包括一种光纤式同轴激光雷达的降噪装置，其用于消除光纤式同轴激光雷达的同轴收本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种光纤式同轴激光雷达，其包括由激光器、环形器、扫描系统和探测器构成的同轴收发系统，其特征在于；所述光纤式激光雷达还包括空间光斩波器和信号降噪模块；所述空间光斩波器安装在同轴收发系统中望远镜的出射端；所述空间光斩波器用于调节进入到望远镜内的外部信号的通断性，进而使得探测器在一个完整的信号周期T内的不同时段分别接收到包含两种信号成分的原始回波信号；其中一个信号成分a包含外部信号，另一个信号成分b不包含外部信号；所述信号降噪模块用于先将原始回波信号分离成仅包含信号成分a的第一离散信号和仅包含信号成分b的第二离散信号；然后通过重采样的方式将第一离散信号和第二离散信号在各周期内的部分从短周期扩展成完整周期，进而得到第一扩展信号和第二扩展信号；接着根据各信号成分的时间戳对第一扩展信号和第二扩展信号进行时间轴对齐；对齐后，再对第一扩展信号和第二扩展信号进行差分处理，得到滤除串扰噪声的回波信号。2.如权利要求1所述的光纤式同轴激光雷达，其特征在于：当原始回波信号的部分周期在采样时因包含干扰而被滤除后，所述信号降噪模块在得到第一扩展信号和第二扩展信号后，先采用插值算法对滤除后的信号中缺失的部分周期内的数据进行补齐，然后再对第一扩展信号和第二扩展信号进行时间轴对齐和差分处理；对齐差分和插值补全后信号的先后顺序不固定。3.如权利要求2所述的光纤式同轴激光雷达，其特征在于：所述环形器包括端口1、端口2和端口3；所述环形器的端口1、端口2分别连接激光器和望远镜，构成同轴收发系统的信号发射部分；所述环形器的端口2、端口3分别连接望远镜和探测器，构成同轴收发系统的信号接收部分。4.如权利要求1所述的光纤式同轴激光雷达，其特征在于：所述环形器通过光纤进行光信号传输；所述环形器的端口1和端口2之间信号从1到2单向传输；所述端口2和端口3之间信号从2到3单向传输。5.如权利要求1所述的光纤式同轴激光雷达，其特征在于：所述望远镜用于对所述激光器发射的激光进行准直扩束，同时接收探测目标的回波信号；所述扫描系统用于调整望远镜发出的准直激光束的发射方向，进而对准待检测的目标区域。6.如权利要求1所述的光纤式同轴激光雷达，其特征在于：所述环形器的端口3至所述探测器间还设置有光开关和滤波器；所述光开关用于对传输至探测器的光信号进行调制；所述滤波器用于对输入到探测器的光信号进行滤波。7.一种光纤式同轴激光雷达的串扰噪声消除方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：在光纤式同...
【专利技术属性】
技术研发人员：尚祥，赵希炜，申屠国樑，
申请(专利权)人：山东国耀量子雷达科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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