一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达

摘要

本发明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。

主权项

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)；所述三波束全光纤相干调频连续波激光雷达为相干探测方式：所述发射部分包括有窄线宽激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、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)、第一准直器(111)、第二准直器(112)和第三准直器(113)；所述接收部分包括有窄线宽激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、第三光纤耦合器(82)、第一环形器(91)、第二环形器(92)、第三环形器(93)、第一准直器(111)、第二准直器(112)、第三准直器(113)、第四光纤耦合器(121)、第五光纤耦合器(122)、第六光纤耦合器(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)；其特征在于：在目标与第一环形器(91)之间安装有第一波片(101)，在目标与第二环形器(92)之间安装有第二波片(102)，在目标与第三环形器(93)之间安装有第三波片(103)；所述发射部分中还包括有隔离器(3)、泵浦源(4)、波分复用器(5)、掺铒光纤(6)、第一波片(101)、第二波片(102)、第三波片(103)；所述接收部分还包括有波片(7)、第一波片(101)、第二波片(102)、第三波片(103)；第二光纤耦合器(81)、第三光纤耦合器(82)、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)、第三准直器(113)、第四光纤耦合器(121)、第五光纤耦合器(122)、第六光纤耦合器(123)、第一光电探测器(131)、第二光电探测器(132)和第三光电探测器(133)构成三波束光信息传输单元；第一准直器(111)的天顶角α_X为45°，方位角β_X为150°；第二准直器(112)的天顶角α_Y为45°，方位角β_Y为30°；第三准直器(113)的天顶角α_Z为45°，方位角β_Z为‑30°；所述发射部分的光信息传输为：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)；所述窄线宽激光器(1)输出的窄线宽激光I₁的波长为1550nm；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)；所述第一发射信号光IA₂占有窄线宽激光I₁的功率的90％，所述第一本振光IB₂占有窄线宽激光I₁的功率的10％；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xg₁₁₁进行聚焦耦合输出X轴第二返回信号光xg₁₀₁给第一波片(101)；第二准直器(112)第一方面将接收到的Y轴圆偏振光YG₁₀₂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yg₁₀₂给第二波片(102)；第三准直器(113)第一方面将接收到的Z轴圆偏振光ZG₁₀₃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进行聚焦耦合输出Z轴第二返回信号光zg₁₀₃给第三波片(103)；所述接收部分的光信息传输为：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)；波片(7)将接收到的第一本振光IB₂进行π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，分为X轴本振光XG₈₂，Y轴本振光YG₈₂和Z轴本振光ZG₈₂；X轴本振光XG₈₂输出给第四耦合器(121)，Y轴本振光YG₈₂输出给第五耦合器(122)，Z轴本振光ZG₈₂输出给第六耦合器(123)；所述X轴本振光XG₈₂占有第二本振光G₇的功率的所述Y轴本振光YG₈₂占有第二本振光G₇的功率的所述Z轴本振光ZG₈₂占有第二本振光G₇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xg₁₁₁进行聚焦耦合输出X轴第二返回信号光xg₁₀₁给第一波片(101)；第二准直器(112)第一方面将接收到的Y轴圆偏振光YG₁₀₂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yg₁₀₂给第二波片(102)；第三准直器(113)第一方面将接收到的Z轴圆偏振光ZG₁₀₃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进行聚焦耦合输出Z轴第二返回信号光zg₁₀₃给第三波片(103)；第四光纤耦合器(121)将接收到的X轴本振光XG₈₂和X轴第四返回信号光XI₉₁进行耦合，形成光学拍，输出X轴拍频信号光XG₁₂₁给第一光电探测器(131)；第五光纤耦合器(122)将接收到的Y轴本振光YG₈₂和Y轴第四返回信号光XI₉₂进行耦合，形成光学拍，输出Y轴拍频信号光YG₁₂₂给第二光电探测器(132)；第六光纤耦合器(123)将接收到的Z轴本振光ZG₈₂和Z轴第四返回信号光XI₉₃进行耦合，形成光学拍，输出Z轴拍频信号光ZG₁₂₃给第三光电探测器(133)；第一光电探测器(131)将接收到的X轴拍频信号光XG₁₂₁转化为X轴电压信号V_X输出给信号处理及控制部分(14)；第二光电探测器(132)将接收到的Y轴拍频信号光YG₁₂₂转化为Y轴电压信号V_Y输出给信号处理及控制部分(14)；第三光电探测器(133)将接收到的Z轴拍频信号光ZG₁₂₃转化为Z轴电压信号V_Z输出给信号处理及控制部分(14)；所述信号处理及控制部分(14)中内嵌有三个准直器所指方向的速度和距离的解调模型；所述的三个准直器所指方向的速度和距离解调模型第一方面用于接收第一光电探测器(131)输出的X轴电压信号V_X、第二光电探测器(132)输出的Y轴电压信号V_Y、第三光电探测器(133)输出的Z轴电压信号V_Z；第二方面对接收到的X轴电压信号V_X、Y轴电压信号V_Y和Z轴电压信号V_Z采用径向运动速度关系和距离与频率调制周期关系进行解调，得到准直器的指向方向速度和距离；其中：X轴方向距离为式中f_X+为窄线宽激光器上扫频段V_X对应频率，f_X‑为窄线宽激光器下扫频段V_X对应频率；c为光速；T为窄线宽激光器频率调制时间周期；B_f为调制频率范围；目标相对X轴径向运动速度为式中λ为窄线宽激光器的平均波长；Y轴方向距离为进行解调，式中f_Y+为窄线宽激光器上扫频段V_Y对应频率，f_Y‑为窄线宽激光器下扫频段V_Y对应频率；目标相对Y轴径向运动速度为进行解调，式中λ为窄线宽激光器的平均波长；Z轴方向距离可以通过进行解调，式中f_Z+为窄线宽激光器上扫频段V_Z对应频率，f_Z‑为窄线宽激光器下扫频段V_Z对应频率；目标相对Z轴径向运动速度可以通过进行解调，式中λ为窄线宽激光器的平均波长。