一种使用椭圆光斑的相干激光雷达制造技术

本发明专利技术涉及一种使用椭圆光斑的相干激光雷达，包括光源，空间干涉元件，扫描机构，光电检测元件和光斑整形机构；所述光源用于产生线性调频激光；所述空间干涉元件包括分光元件和耦合元件，所述分光元件用于将所述线性调频激光分束为本振光束和测量光束；所述测量光束随后经测量光路射向扫描机构，并经所述扫描机构调整出射方向后出射；所述测量光在到达所述扫描机构前经光斑整形机构整形为具有椭圆光斑；所述椭圆光斑的长轴垂直于所述扫描机构的扫描方向或快轴方向；所述测量光照射目标后产生的回波经扫描机构反射后返回空间干涉元件，并经耦合元件与本振光耦合，产生干涉信号；所述干涉信号随后经光电检测元件检测。干涉信号随后经光电检测元件检测。干涉信号随后经光电检测元件检测。

【技术实现步骤摘要】
一种使用椭圆光斑的相干激光雷达


[0001]本专利技术涉及激光雷达领域，具体涉及一种使用椭圆光斑的相干激光雷达。

技术介绍

[0002]调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)激光雷达是一种基于激光干涉原理的测量设备。由于在测量精度、抗干扰性能等方面具有优良表现，因而在很多领域具有良好的应用前景。其测量原理是将光源发出的激光分束为本振光和测量光，其中，测量光经扫描单元调整方向后照射被探测物体，然后产生回波，该回波再经扫描单元反射后返回干涉空间，与前述本振光合束后产生干涉信号，再利用光电二极管等检测元件将该干涉信号转换为电信号后即可获得测量结果。
[0003]在扫描机构静止或扫描速度较低，或回波间隔极短的理想状态下，测量光打到目标上散射的回波与本振光能够保持相对严格的平行，进而能够产生有效的干涉信号。对于使用自由空间光学元件的干涉系统，通常要求回波的方向与本振光方向严格的平行，才能得到较好的干涉信号。
[0004]但在现实中，由于激光雷达搭载平台和被测量目标的持续运动，扫描机构均需要保持较高的扫描速度，以缩短扫描周期，在该较短的扫描周期内，被测量目标产生的姿态或距离变化程度才能够被容忍，从而获取尽可能真实的测量结果；若扫描周期较长，则在该扫描周期内被测量目标会产生难以接受的较大的姿态或距离变化，这将导致一个扫描周期内获得的测量信号无法反应被测量目标的真实状态。
[0005]而在保证高扫描速度的前提下，如果回波有较大延时，例如照射150米外的目标产生的回波延时为1us，则在该回波延时内，光学扫描机构的光轴将产生明显的偏转，并导致回波与本振光干涉时产生角度偏差，造成干涉信号显著下降，从而导致相干激光雷达的性能下降。显然，该现实问题会严重限制调频连续波激光雷达的有效探测距离。
[0006]现有的相干激光雷达系统基本上均采用圆形光斑，光斑的尺寸的选择则受到扫描速度的限制。通常情况下，光斑的尺寸越大，对于回波的角度偏转越敏感。因此，为获得尽可能大的有效探测距离或采用更快扫描速度的的扫描机构，有使用小尺寸光斑的技术需求。但是在另一方面，探测过程中接收到的回波的能量正比于回波的光斑面积，即正比于光斑尺寸的平方。因此，减小光斑尺寸会导致回波能量的快速下降。可见，从保证回波能量的角度而言，有使用大尺寸光斑的技术需求。显然，这样两个内在的技术需求是矛盾的。
[0007]因此，如何在保证甚至增加有效探测距离，同时保持高扫描速度的情况下，仍能使回波具有足够的能量成为相干激光雷达领域亟待解决的问题。

技术实现思路

[0008]为解决现有技术中的上述问题，本专利技术提供一种使用椭圆光斑的相干激光雷达。
[0009]通常情况下，激光光束横截面的振幅分布均符合高斯函数，所以也被称为高斯光束，如图1所示。本专利技术中所述的光斑尺寸是指高斯光束束腰处的尺寸，例如当所述光斑为
圆光斑时，所述光斑尺寸指高斯光束束腰处的半径ω0，而图1中的θ则是指所述高斯光束的发散半角。其中，所述光斑尺寸半径ω0与所述发散半角θ满足如下关系：
[0010]ω0＝λ/(πθ)
[0011]即高斯光束的光斑尺寸ω0与光束的发散半角θ成反比关系。
[0012]而图2和图3则分别展示了本振光与回波的相干耦合效率、相干耦合能量与回波偏转角(也称失配角，本专利技术中记为α)与光束发散半角的比值(即α/θ)的对应关系。
[0013]可以看出，在光斑尺寸ω0确定的情况下，随着两个高斯光束(本专利技术中具体指本振光与回波)之间偏转角的增加，相干耦合效率及相干耦合能量均呈下降趋势。
[0014]具体的，假设光路中的高斯光束的光斑尺寸ω0为2.5毫米，波长为1550纳米。该高斯光束对应的发散半角θ为0.2毫弧度(mrad)。若扫描机构在例如垂直方向上的扫描角度为1弧度(rad)，扫描频率为250Hz，单向扫描时间为2ms，即角速度平均1rad/2ms＝500rad/s。对于150米处的目标而言，测量光的往返时间，即回波间隔为1us。在该往返时间内，扫描机构的角度变化为0.5mrad。也即，本振光与回波之间的偏转角α为0.5mrad。则前述的偏转角α与高斯光束发散半角θ的比值(α/θ)为0.5/0.2＝2.5。
[0015]由图2中展示的对应关系可知，此时的耦合效率已低于理想值的0.2％；相干耦合的信号损失超过27dB。而由于测量光照射探测目标后产生的回波呈散射形式，且散射回波随传播距离的平方反比衰减，远距离回波传回扫描机构时已经很弱，因此无法再承受由于回波偏转角导致的超过27dB的干涉损失。
[0016]另一方面，由图3展示的对应关系可知，当回波偏转角α与高斯光束发散半角θ的比值(α/θ)为2.5时，相干耦合能量也处于很低的水平。
[0017]而如果缩小光斑尺寸，例如采用ω0为0.25毫米的圆形光斑，虽然可以减小前述回波偏转角α与高斯光束发散半角θ的比值(α/θ)，进而使相干耦合效率保持在较高水平，进而允许实现对更远目标的探测。但如前文所述，由于接收到的回波能量正比于光斑面积，当光斑尺寸缩小为原来的1/10时，相应的回波能量将缩小为原来的1/100，导致回波能量不足。
[0018]本专利技术所提供的使用椭圆光斑的相干激光雷达能够有效解决前述相干耦合效率与相干耦合能量之间的矛盾，实现更远的理论探测距离。
[0019]本专利技术的方案是基于如下实际情况而提出的，即目前的相干激光雷达系统所采用的扫描机构，在水平方向和垂直方向的扫描角速度分量并不相同，其中具有较大角速度分量的扫描方向在本专利技术中记为快轴方向，相应的，具有较小角速度分量的扫描方向在本专利技术中记为慢轴方向。
[0020]具体方案如下：
[0021]一种使用椭圆光斑的相干激光雷达，包括光源，空间干涉元件，扫描机构，光电检测元件和光斑整形机构；所述光源用于产生线性调频激光；所述空间干涉元件包括分光元件和耦合元件，所述分光元件用于将所述线性调频激光分束为本振光束和测量光束；所述测量光束随后经测量光路射向扫描机构，并经所述扫描机构调整出射方向后出射；其中，所述测量光在到达所述扫描机构前经光斑整形机构整形为椭圆光斑；所述测量光照射目标后产生的回波经扫描机构反射后返回空间干涉元件，并在所述空间干涉元件的耦合器中与本振光耦合，产生干涉信号；所述干涉信号随后经光电检测元件检测。
[0022]所述光源可以是发出单束线性调频激光的激光器，也可以是发出多路并行的线性
调频激光的波导阵列。当所述光源为激光器时，所述扫描机构为二维扫描机构，例如振镜；所述二维扫描机构在水平和垂直方向上的扫描速度不同，其中，扫描速度快的方向记为快轴方向，扫描速度慢的方向记为慢轴方向。当所述光源为波导阵列时，所述扫描机构为一维扫描机构，例如转镜。
[0023]其中，前述的椭圆光斑被配置为其长轴平行于二维扫描机构的慢轴方向，且其短轴平行于二维扫描机构的快轴方向；或者所述椭圆光斑被配置为其长轴垂直于一维扫描机构的扫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用椭圆光斑的相干激光雷达，包括光源，空间干涉元件，扫描机构，光电检测元件和光斑整形机构；所述光源用于产生线性调频激光；所述空间干涉元件包括分光元件和耦合元件，所述分光元件用于将所述线性调频激光分束为本振光束和测量光束；所述测量光束随后经测量光路射向扫描机构，并经所述扫描机构调整出射方向后出射；其特征在于：所述测量光在到达所述扫描机构前经光斑整形机构整形为具有椭圆光斑；所述椭圆光斑的长轴垂直于所述扫描机构的扫描方向或快轴方向；所述测量光照射目标后产生的回波经扫描机构反射后返回空间干涉元件，并经耦合元件与本振光耦合，产生干涉信号；所述干涉信号随后经光电检测元件检测。2.如权利要求1所述的使用椭圆光斑的相干激光雷达，其特征在于：所述光源为可以发出单束线性调频激光的激光器，且所述扫描机构为二维扫描机构。3.如权利要求1所述的使用椭圆光斑的相干激光雷达，其特征在于：所述光源为波导阵列，所述扫描机构为一维扫描机构。4.如权利要求2所述的使用椭圆光斑的相干激光雷达，其特征在于：所述椭圆光斑的长...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘春，
申请(专利权)人：苏州溯光科技信息有限公司，
类型：发明
国别省市：