一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达制造技术

本发明专利技术公开了一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达，该激光雷达的发射和接收部分采用全光纤光路，利用光纤作为激光的传输和接收光路，可以使光源和探测器远离恶劣的外界探测环境，并且具有结构简单、质量轻等优点；利用三波束对目标进行照射，能够同时解调出三维速度和距离信息，解决摇摆带来的动态误差。该激光雷达经光源出射的光束被第一耦合器分成两种光束传输，后经第二耦合器与环形器分成X轴、Y轴和Z轴的光束传输，致使照射到目标后的光束具有空间坐标系下的三轴光束特性。本发明专利技术设计的激光雷达为相干探测方式，其采用三角波调频连续波体制，可以同时探测距离和速度信息，避免了脉冲体制的距离速度分辨率相互制约的问题，实现了无盲区高精度测量。本发明专利技术可在不因激光器存在差异而引入频率误差的情况下，同时测量三维速度和距离，得出探测器姿态，且降低动态误差2～3个数量级。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种激光雷达，更特别地说，是指一种具有三波束相干调频连续波的 光纤激光雷达。
技术介绍
激光雷达主要工作在红外和可见光波段，当辐射照射目标时，激光雷达利用目标 的反射、折射、散射和透射等所产生的回波，对目标进行探测。与传统的微波雷达相比，激光 雷达的波长短得多，所以具有探测灵敏度高和测量分辨率高、全天候工作、体积小、质量轻、 与网络融合能力强、可在分子量级上对目标进行探测等优点。激光雷达的基本组成包括发射、接收和后置信号处理三部分，以及使三部分协调 工作的机构。参考电子工业出版社于2010年11月第I次印刷，戴永江编著的《激光雷达技 术》第5章第173页、第174页和第175页中公开的内容。书中“信号处理及控制部分”包 括有信号预处理、信号处理器、伺服系统和通信系统。光电探测器将回来的激光信号直接转 变为电信号；信号处理器将各种信号参量处理为含有距离、速度、角度和目标图像特征的信 息，再经过模/数转换器，转变为数字信号，送入计算机或微处理器等主处理器，变为可分 析和显示及传输的数据和图像信息。在发射、接收技术中，接收技术有非相干接收和相干接收两大类。非相干技术接收 是接收激光能量的直接接收方式，技术简单和成熟。相干接收技术有外差接收、自差接收和 零差接收方式。相干接收技术测量的是回波信号和发射的激光信号之间的差频信号，而非 相干接收技术测量的是接收信号和发射的激光能量信号的相对能量变化。与非相干接收技 术相比，相干激光雷达可实现速度、距离的精确测量，并能探测目标的振动谱、反射特性和 偏振特性，比非相干接收精度高，可探测隐身目标，具有区别真伪目标的能力。相干接收具 有转化增益高和滤波性能优良的特点，有利于微弱信号的探测，可获得目标的全部信息。连 续波激光相干雷达可连续提供目标信息，而且灵敏度很高，因此可对高速运动目标和散射 截面很小的目标进行探测。目前激光雷达测距主要分为三类激光脉冲飞行时间测距、连续波调幅测距和调 频连续波测距。相比其它两种测距方式，调频连续波激光雷达的特点为(I)具有很小的距离分辨率，能够探测到的最小距离与激光波长相比拟；(2)能够对目标的速度和距离同时进行测量；(3)能够进行非接触的微小振动测量；(4)探测到的差频信号在频域上进行处理，简化了处理电路；(5)相比大峰值功率的脉冲激光雷达，平均功率小得多，使用安全；(6)结构紧凑，质量轻，功耗小。由于目前的调频连续波测距激光雷达不能对目标进行三维速度和距离的测量。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达，该激光雷达为相干探测方式，其发射和接收部分采用全光纤光路，利用光纤作为激光的传输和接收光路， 可以使光源和探测器远离恶劣的外界探测环境，并且具有结构简单、质量轻等优点；采用三角波调频连续波体制，可以同时探测距离和速度信息，避免了脉冲体制的距离速度分辨率相互制约的问题，实现了无盲区高精度测量。利用三波束进行三维速度及距离的测量，能够同时解调出三维速度和距离信息，解决摇摆带来的动态误差。本专利技术的一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达，所述激光雷达包括有发射部分、接收部分和信号处理及控制部分(14)，其中所述发射部分包括有窄线宽激光器(I)、第一光纤耦合器(2)、隔离器(3)、泵浦源(4)、波分复用器(5)、掺铒光纤(6)、第二光纤稱合器(81)、第一环形器(91)、第二环形器_ ^(92)、第三环形器(93)、第一波片(101)、第二波片(102)、第三波片(103)、第一准直444器(111)、第二准直器(112)和第三准直器(113);其光信息传输为窄线宽激光器(I)用于输出三角波频率调制的窄线宽激光I1给第一光纤耦合器 ⑵；第一光纤耦合器(2)将接收到的窄线宽激光I1按照功率进行分光，分为第一发射信号光IA2和第一本振光IB2 ;第一发射信号光IA2输出给隔离器(3);第一本振光IB2输出4、t-u ~ι/Χ./ W 乂。2隔离器(3)第一方面将接收到的第一发射信号光IA2传输给波分复用器(5)，经隔离器(3)后的第一发射信号光IA2记为第二发射信号光G3 ;第二方面滤除从波分复用器(5) 回传的第二自发辐射光g5。泵浦源(4)用于输出泵浦光I4，所述泵浦光I4的波长为974nm。波分复用器(5)第一方面将接收到的泵浦光I4和第二发射信号光G3进行耦合，使两束光在同一光纤当中径向传输，得到混合光G5输出给掺铒光纤(6);第二方面将回传的第一自发福射光g6传输给隔离器(3),经波分复用器(5)后的第一自发福射光g6记为第二自发辐射光g5。掺铒光纤(6)第一方面用于将接收到的混合光G5进行受激放大，得到第三发射信号光G6输出给第二光纤f禹合器(81),第二方面混合光G5在掺铒光纤(6)中会因为自发福射而产生反向传输的第一自发辐射光&，该第一自发辐射光g6输出给波分复用器(5)中。 第二光纤耦合器(81)将接收到第三发射信号光G6按照功率进行分光，分为X轴发射信号光XG81, Y轴发射信号光YG81和Z轴发射信号光ZG81 ；X轴发射信号光XG81输出给第一环形器(91), Y轴发射信号光Ye8I输出给第二环形器(92), Z轴发射信号光ZG81输出给第三环形器(93)。所述X轴发射信号光XG81占有第三发射信号光G6的功率的4 ,所述Y轴发射信号光YG81占有第三发射信号光G6的功率的4，所述Z轴发射信号光ZG81占有第三发3射信号光G6的功率的*第一环形器(91)第一方面将接收到的X轴发射信号光XG81进行X轴方向的定向，X成为X轴定向光束XG91，该X轴定向光束XG91被传输给第一τ波片(101);第二方面将接收4到的X轴第三返回信号光Xg91进行X轴方向的定向，成为X轴第四返回信号光XI91，该X轴 第四返回信号光XI91被传输给第四光纤I禹合器(121)。第二环形器(92)第一方面将接收到的Y轴发射信号光YG81进行Y轴方向的定向，I成为Y轴定向光束YG92,该Y轴定向光束YG92被传输给第二Τ波片(102);第二方面将接收4到的Y轴第三返回信号光yg92进行Y轴方向的定向，成为Y轴第四返回信号光XI92,该Y轴 第四返回信号光XI92被传输给第五光纤稱合器(122)。第三环形器(93)第一方面将接收到的Z轴发射信号光ZG81进行Z轴方向的定向，成为Z轴定向光束ZG93，该Z轴定向光束ZG93被传输给第三4波片(103);第二方面将接收4到的Z轴第三返回信号光Zg93进行Z轴方向的定向，成为Z轴第四返回信号光XI93,该Z轴 第四返回信号光XI93被传输给第六光纤稱合器(123)。I第一τ波片(101)第一方面将接收到的X轴定向光束XG91R换为圆偏振光，得到X4轴圆偏振光XGltll输出给第一准直器(111);另一方面将接收到的X轴第二返回信号光Xgltll 转换为线偏振光，得到X轴第三返回信号光Xg91。I第二τ波片(102)第一方面将接收到的Y轴定向光束YG92转换为圆偏振光，得到Y4轴圆偏振光YGltl2输出给第二准直器(112);另一方面将接收到的Y轴第二返回信号光yg1(l2 转换为线偏振光，得到Y轴第三返回信号光yg92。I第三τ波片(103)第一方面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达，所述激光雷达包括有发射部分、接收部分和信号处理及控制部分（14），其特征在于：所述发射部分包括有窄线宽激光器（1）、第一光纤耦合器（2）、隔离器（3）、泵浦源（4）、波分复用器（5）、掺铒光纤（6）、第二光纤耦合器（81）、第一环形器（91）、第二环形器（92）、第三环形器（93）、第一波片（101）、第二波片（102）、第三波片（103）、第一准直器（111）、第二准直器（112）和第三准直器（113）；其光信息传输为：窄线宽激光器（1）用于输出三角波频率调制的窄线宽激光I1给第一光纤耦合器（2）；第一光纤耦合器（2）将接收到的窄线宽激光I1按照功率进行分光，分为第一发射信号光IA2和第一本振光IB2；第一发射信号光IA2输出给隔离器（3）；第一本振光IB2输出给波片（7）。隔离器（3）第一方面将接收到的第一发射信号光IA2传输给波分复用器（5），经隔离器（3）后的第一发射信号光IA2记为第二发射信号光G3；第二方面滤除从波分复用器（5）回传的第二自发辐射光g5。泵浦源（4）用于输出泵浦光I4，所述泵浦光I4的波长为974nm。波分复用器（5）第一方面将接收到的泵浦光I4和第二发射信号光G3进行耦合，使两束光在同一光纤当中径向传输，得到混合光G5输出给掺铒光纤（6）；第二方面将回传的第一自发辐射光g6传输给隔离器（3），经波分复用器（5）后的第一自发辐射光g6记为第二自发辐射光g5。掺铒光纤（6）第一方面用于将接收到的混合光G5进行受激放大，得到第三发射信号光G6输出给第二光纤耦合器（81），第二方面混合光G5在掺铒光纤（6）中会因为自发辐射而产生反向传输的第一自发辐射光g6，该第一自发辐射光g6输出给波分复用器（5）中。第二光纤耦合器（81）将接收到第三发射信号光G6按照功率进行分光，分为X轴发射信号光XG81，Y轴发射信号光YG81和Z轴发射信号光ZG81；X轴发射信号光XG81输出给第一环形器（91），Y轴发射信号光YG81输出给第二环形器（92），Z轴发射信号光ZG81输出给第三环形器（93）。所述X轴发射信号光XG81占有第三发射信号光G6的功率的所述Y轴发射信号光YG81占有第三发射信号光G6的功率的所述Z轴发射信号光ZG81占有第三发射信号光G6的功率的第一环形器（91）第一方面将接收到的X轴发射信号光XG81进行X轴方向的定 向，成为X轴定向光束XG91，该X轴定向光束XG91被传输给第一波片（101）；第二方面将接收到的X轴第三返回信号光xg91进行X轴方向的定向，成为X轴第四返回信号光XI91，该X轴第四返回信号光XI91被传输给第四光纤耦合器（121）。第二环形器（92）第一方面将接收到的Y轴发射信号光YG81进行Y轴方向的定向，成为Y轴定向光束YG92，该Y轴定向光束YG92被传输给第二波片（102）；第二方面将接收到的Y轴第三返回信号光yg92进行Y轴方向的定向，成为Y轴第四返回信号光XI92，该Y轴第四返回信号光XI92被传输给第五光纤耦合器（122）。第三环形器（93）第一方面将接收到的Z轴发射信号光ZG81进行Z轴方向的定向，成为Z轴定向光束ZG93，该Z轴定向光束ZG93被传输给第三波片（103）；第二方面将接收到的Z轴第三返回信号光zg93进行Z轴方向的定向，成为Z轴第四返回信号光XI93，该Z轴第四返回信号光XI93被传输给第六光纤耦合器（123）。第一波片（101）第一方面将接收到的X轴定向光束XG91转换为圆偏振光，得到X轴圆偏振光XG101输出给第一准直器（111）；另一方面将接收到的X轴第二返回信号光xg101转换为线偏振光，得到X轴第三返回信号光xg91。第二波片（102）第一方面将接收到的Y轴定向光束YG92转换为圆偏振光，得到Y轴圆偏振光YG102输出给第二准直器（112）；另一方面将接收到的Y轴第二返回信号光yg102转换为线偏振光，得到Y轴第三返回信号光yg92。第三波片（103）第一方面将接收到的Z轴定向光束ZG93转换为圆偏振光，得到Z轴圆偏振光ZG103输出给第三准直器（113）；第二方面将接收到的Z轴第二返回信号光zg103转换为线偏振光，得到Z轴第三返回信号光zg93。第一准直器（111）第一方面将接收到的X轴圆偏振光XG101进行扩束准直为X轴探测光XG111，该X轴探测光XG111照射在目标上；照射到目标上的X轴探测光XG111经反射、背向散射成为X轴第一返回信号光xg111；第二方面将接收到的X轴第一返回信号光x...

【技术特征摘要】
1. 一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达，所述激光雷达包括有发射部分、接收部分和信号处理及控制部分(14)，其特征在于所述发射部分包括有窄线宽激光器(I)、第一光纤耦合器(2)、隔离器(3)、泵浦源(4)、波分复用器(5)、掺铒光纤(6)、第二光纤耦合器(81)、第一环形器(91)、第二环形器(92)、第三环形器(93)、第一波片(101)、第二-J波片(102)、第三波片(103)、第一准直器·(111)、第二准直器(112)和第三准直器(113);其光信息传输为 窄线宽激光器(I)用于输出三角波频率调制的窄线宽激光I1给第一光纤耦合器(2)； 第一光纤耦合器(2)将接收到的窄线宽激光I1按照功率进行分光，分为第一发射信号·光IA2和第一本振光IB2 ;第一发射信号光IA2输出给隔尚器(3);第一本振光IB2输出给波片(7)。隔离器(3)第一方面将接收到的第一发射信号光IA2传输给波分复用器(5)，经隔离器(3)后的第一发射信号光IA2记为第二发射信号光G3 ;第二方面滤除从波分复用器(5)回传的第二自发辐射光g5。泵浦源(4)用于输出泵浦光I4，所述泵浦光I4的波长为974nm。波分复用器(5)第一方面将接收到的泵浦光I4和第二发射信号光G3进行耦合，使两束光在同一光纤当中径向传输，得到混合光G5输出给掺铒光纤(6);第二方面将回传的第一自发福射光g6传输给隔离器(3),经波分复用器(5)后的第一自发福射光g6记为第二自发福射光g5。掺铒光纤(6)第一方面用于将接收到的混合光G5进行受激放大，得到第三发射信号光G6输出给第二光纤I禹合器(81),第二方面混合光G5在掺铒光纤(6)中会因为自发福射而产生反向传输的第一自发辐射光g6，该第一自发辐射光g6输出给波分复用器(5)中。第二光纤耦合器(81)将接收到第三发射信号光G6按照功率进行分光，分为X轴发射信号光XG81, Y轴发射信号光YG81和Z轴发射信号光ZG81 ；X轴发射信号光XG81输出给第一环形器(91), Y轴发射信号光YG81输出给第二环形器(92), Z轴发射信号光ZG81输出给第三环形器(93)。所述X轴发射信号光XG81占有第三发射信号光G6的功率的$，所述Y轴发射信 3号光YG81占有第三发射信号光G6的功率的4，所述Z轴发射信号光ZG81占有第三发射信号光G6的功率的1//3o第一环形器(91)第一方面将接收到的X轴发射信号光XG81进行X轴方向的定向,成为 IX轴定向光束XG91,该X轴定向光束XG91被传输给第一T波片(101);第二方面将接收到的X 4轴第三返回信号光Xg91进行X轴方向的定向，成为X轴第四返回信号光XI91，该X轴第四返回信号光XI91被传输给第四光纤稱合器(121)。第二环形器(92)第一方面将接收到的Y轴发射信号光YG81进行Y轴方向的定向，成为Y轴定向光束YG92,该Y轴定向光束YG92被传输给第二λ/4波片(102);第二方面将接收到的Y 轴第三返回信号光yg92进行Y轴方向的定向，成为Y轴第四返回信号光XI92，该Y轴第四返回信号光XI92被传输给第五光纤稱合器(122)。第三环形器(93)第一方面将接收到的Z轴发射信号光ZG81进行Z轴方向的定向,成为 Z轴定向光束ZG93,该Z轴定向光束ZG93被传输给第三λ/4波片(103);第二方面将接收到的Z 轴第三返回信号光Zg93进行Z轴方向的定向，成为Z轴第四返回信号光XI93，该Z轴第四返回信号光XI93被传输给第六光纤稱合器(123)。第一λ/4波片(101)第一方面将接收到的X轴定向光束XG91转换为圆偏振光,得到X轴 圆偏振光XGltll输出给第一准直器(111);另一方面将接收到的X轴第二返回信号光Xgltll转换为线偏振光，得到X轴第三返回信号光Xg91。第二λ/4波片(102)第一方面将接收到的Y轴定向光束YG92转换为圆偏振光，得到Y轴 圆偏振光YGltl2输出给第二准直器(112);另一方面将接收到的Y轴第二返回信号光yg1(12转换为线偏振光，得到Y轴第三返回信号光yg92。 第三λ/4波片(103)第一方面将接收到的Z轴定向光束ZG93转换为圆偏振光，得到Z轴圆偏振光ZGltl3输出给第三准直器(113);第二方面将接收到的Z轴第二返回信号光Zgltl3转换为线偏振光，得到Z轴第三返回信号光zg93。第一准直器(111)第一方面将接收到的X轴圆偏振光XGltll进行扩束准直为X轴探测光XG111,该X轴探测光XG111照射在目标上；照射到目标上的X轴探测光XG111经反射、背向散射成为X轴第一返回信号光Xg111 ;第二方面将接收到的X轴第一返回信号光Xg111进行聚焦率禹合输出X轴第二返回信号光Xgicu给第一λ/4波片(101)。第二准直器(112)第一方面将接收到的Y轴圆偏振光YGltl2进行扩束准直为Y轴探测光YG112,该Y轴探测光YG112照射在目标上；照射到目标上的Y轴探测光YG112经反射、背向散射成为Y轴第一返回信号光yg112 ;第二方面将接收到的Y轴第一返回信号光yg112进行聚焦耦合输出Y轴第二返回信号光yg1(12给第二λ/4波片(102)。第三准直器(113)第一方面将接收到的Z轴圆偏振光ZGltl3进行扩束准直为Z轴探测光ZG113,该Z轴探测光ZG113照射在目标上；照射到目标上的Z轴探测光ZG113经反射、背向散射成为Z轴第一返回信号光Zg113 ;第二方面将接收到的Z轴第一返回信号光Zg113进行聚焦率禹合输出Z轴第二返回信号光Zgltl3给第三λ/4波片(103)。所述接收部分包括有窄线宽激光器(I)、第一光纤稱合器(2)、λ/4波片(7)、第三光纤率禹 合器(82)、第一环形器(91)、第二环形器(92)、第三环形器(93)、第λ/4波片(101)、第二λ/4波片(102)、第三λ/4波片(103)、第一准直器(111)、第二准直器(112)、第三准直器(113)、第四 光纤賴合器(121)、第五光纤賴合器(122)、第六光纤賴合器(123)、第一光电探测器(131)、第二光电探测器(132)、第三光电探测器(133);其光信息传输为 窄线宽激光器(I)用于输出三角波频率调制的窄线宽激光I1给第一光纤耦合器(2)； 第一光纤耦合器(2)将接收到的窄线宽激光I1按照功率进行分光，分为第一发射信号光IA2和第一本振光IB2 ;第一发射信号光IA2输出给隔离器(3);第一本振光IB2输出给λ/2波片(7)。λ/2波片(7)将接收到的第一本振光IB2进行相位的变换，输出第二本振光G7给第三光纤耦合器(82)。第三光纤耦合器(82)将接收到的第二本振光G7按照功率进行分光,...

【专利技术属性】
技术研发人员：林志立，欧攀，范哲，李茳，孙鸣捷，张春熹，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：