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专利名称：一种激光雷达中全光纤背景光压制和近场信号动态范围抑制技术的光学探测组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光雷达技术，特别涉及一种激光雷达中全光纤背景光压制和近场信号动态范围抑制技术的光学探测组件。
背景技术：
激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。随着激光技术日新月异的发展，先进的信号探测和数据采集系统的应用，激光雷达以它的高测量精度、精细的时间和空间分辨率以及大的探测跨度而成为一种重要的主动遥感工具，在遥测大气风场、温度场、湍流、大气成分和后向散射系数等方面，显示出了特有的优势和发展潜力。随着高技术装备的研究与应用，对低层乃至中高层大气参数的探测呈现出迫切的态势，国内外缺乏中高层(20-200km)大气参数探测数据，激光雷达是这个探测范围内先进的技术手段之一，是目前唯一能实现全球大气参数探测的有效工具。为了提高激光雷达的探测高度，在光学望远镜口径一定的前提下，增大激光雷达的发射功率是有效的方法之一，而低层大气散射回波较强，探测器容易饱和，致使低层大气无法探测，目前解决这一难题的方法之一是分视场法测量；另一种方法是高低空分层探测， 即使用分束片将大气后向散射光分成两束(一束较弱占总光强的30%，一束较强占总光强的70% )，探测低层大气时，让较弱的一束光进入低空探测器；探测高层大气时，让较强的一束光进入高空探测器。这两种方法的缺点是接收机光路复杂，成本高，光信号利用率低， 特别是探测高层大气时进入探测器的光信号强度减弱，降低了探测精度和高度。中高层激光雷达大气探测，回波信号较弱，属于弱信号甚至微弱信号检测，背景噪声降低了信噪比， 甚至会引起探测器的饱和，致使激光雷达无法工作，背景光电流引起的散粒噪声使探测器灵敏度降低，滤除背景噪声对弱信号检测非常重要，一直以来是一项技术难点。目前激光雷达中，大多数的背景光抑制都是通过空间光学器件实现，空间光路结构损耗大，稳定性差。

发明内容
本发明的目的是为了 1)采用FBG背景滤波器滤除背景噪声，FBG背景滤波器是窄带、低损耗的透射式滤波器，目前带宽为0. lnm，峰值透射率达到99%，回波信号经FBG背景滤波器，中心频率为％的光信号透过率为99%，其它频段的光信号被滤除，有效的抑制了背景光，大大降低了成本；幻采用光强调制器对信号强度进行调制，光强调制器能够根据回波信号的特征主动智能电光调制激光雷达信号的动态范围，可以在保障远程信号极大信噪比的前提下，抑制近场信号，避免光电探测器近场信号饱和，提高激光出射功率及远场目标的回波功率，实现高低空一体化探测。为达到上述目的，本发明采用技术方案如下一种激光雷达中全光纤背景光压制和近场信号动态范围抑制技术的光学探测组件，该光学探测组件包括接收望远镜1、FBG背景滤波器2、光强调制器3、光学接收机4、温度控制器5、任意波形发生器6以及控制计算机7，所述的光学探测组件在激光雷达的接收望远镜1和光学接收机4之间，激光雷达的回波信号由接收望远镜1通过光纤传输到FBG背景滤波器2，再将FBG背景滤波器2的输出信号通过光纤传输到光强调制器3，然后将光强调制器3的输出信号传输至光学接收机4，其中，FBG背景滤波器2，其封装在一个恒温温箱内，温度控制器5始终使FBG背景滤波器2保持在恒定温度下工作，防止了中心工作波长的漂移，然后将FBG背景滤波器2安装在精密平移台上，由压电陶瓷控制其应力分布，确保峰值透过率的波长位置与工作波长重叠， 该FBG背景滤波器2是窄带、低损耗的透射式滤波器，带宽为0. lnm，透过光信号的中心频率为％，峰值透过率达到99%，回波信号经FBG背景滤波器2，中心频率为％的回波信号透过率为99%，其它频段的回波信号的透过率小于1%，其它频段的回波信号被有效滤除，即极大限度地抑制了背景光；光强调制器3，滤除了背景噪声的回波信号输出至光强调制器3，控制计算机7根据光学接收机4输出的回波信号强度随时间的变化生成反馈电压信号，任意波形发生器6 根据所述反馈电压信号控制输入光强调制器3的调制电压V，智能主动抑制可能饱和的信号；该光强调制器3内部是具有M-Z干涉仪型电光调制器结构的光强调制器，其中一臂上加调制电压V;探测低层大气时，较强的后向散射光入射至光强调制器3，通过调节调制电压V 使加了调制电压的一臂的回波信号的相位改变等于异相的半波长，此时两臂的回波信号发生相消干涉，输出至光学接收机4的回波信号的强度达到最小，避免了光学接收机4的饱和；探测高层大气时，较弱的后向散射光入射至光强调制器3，通过调节调制电压V使加了调制电压的一臂的回波信号的相位改变等于波长的整数倍，此时两臂的回波信号发生相长干涉，输出至光学接收机4的光信号的强度达到最大。进一步的，所述FBG背景滤波器2中光纤光栅温度响应系数为0. 01nm/°C，光纤光栅应力系数为1.26 Ipm/μ ε。进一步的，所述光强调制器3半波电压为VJI，调制速度为40GHz。本发明与现有技术相比的优点在于1)本发明采用FBG背景滤波器滤除背景噪声，关键在于使用温度补偿和光纤布拉格光栅轴向应力控制，使得光纤光栅的峰值透过率位置正好在激光雷达的工作波长处。FBG 背景滤波器是窄带、低损耗的透射式滤波器，目前带宽为0. lnm，峰值透射率达到99%，回波信号经FBG背景滤波器，中心频率为υ ο的光信号透过率为99%，其它频段的光信号被滤除，有效的抑制了背景光，实现全天时探测；2)本发明采用光强调制器对激光雷达接收光信号强度进行调制，光强调制器能够根据回波信号的特征主动电光调制激光雷达信号的动态范围，可以在保障远程信号极大信噪比的前提下，抑制近场信号，避免光电探测器近场信号饱和，提高激光出射功率及远场目标的回波功率，实现高低空一体化探测；3)本发明采用全光纤连接，提高了系统运行稳定性；4)本发明大大降低了光路成本，且光路系统较简单，有利于光路调节。


图1. 一种激光雷达中全光纤背景光压制和近场信号动态范围抑制技术的光学探测组件的结构示意图；图2.本发明的FBG背景滤波器的构造图；图3.本发明提供的FBG背景滤波器的工作原理图；图4.本发明的光强调制器内部M-Z干涉仪型电光调制器原理图；图5.本发明的光强调制器工作原理图；图6.本发明的光强调制器信号调制过程示意图。其中，1、接收望远镜；2、FBG背景滤波器；3、光强调制器；4、光学接收机；5、温度控制器；6、任意波形发生器；7、控制计算机。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。图1为本发明提供的一种激光雷达中全光纤背景光压制和近场信号动态范围抑制技术的光学探测组件的结构示意图，该光学探测组件包括接收望远镜1、FBG背景滤波器2、光强调制器3、光学接收机4、温度控制器5、任意波形发生器6以及控制计算机7。具体的，大气分子散射信号经接收望远镜1至FBG背景滤波器2，FBG背景滤波器2 是窄带、低损耗的透射式滤波器，目前带宽为0. lnm，峰值透射率达到99%，回波信号经FBG 背景滤波器2，中心频率为％的光信号透过率为99%，其它频段的光信号被滤除，有效地抑制了背景光。图2为FBG背景滤波器结构图，FBG背景滤波器2封装在一个恒温温箱内。 根据温度影响系数，计算温度稳定指标。然后将FBG背景滤波器安装在精密平移台上，由压电陶瓷控制其应力分布，确保峰值透过率的波长位置与工作波长重叠。光纤光栅温度响应系数0. 01nm/°C，若恒温室的温度误差为0. 1°C，那么光纤光栅中心波长漂移小于0. OOlnm0 温度控制器5始终使FBG背景滤波器2保持在恒定温度下工作，防止了中心工作波长的漂移。然后将FBG背景滤波器2安装在精密平移台上，由压电陶瓷控制其应力分布，确保峰值透过率的波长位置与工作波长重叠。光纤光栅应力系数为1^61ρπι/μ ε，即光纤轴向应力每改变百万分之一，FBG背景滤波器2中心波长移动1. ^lpm,调节压电陶瓷平移台的驱动电压，沿着光纤光栅轴线方向施加应力，可以精确调节光纤光栅的峰值透过率对应的波长。图3为本发明提供的FBG背景滤波器的工作原理图，带宽为0. Inm,中心波长为 λ 0的光信号透过FBG背景滤波器继续传输，峰值透过率达到99%，其它波长的光被滤除。滤除了背景噪声的光信号经光纤耦合至光强调制器3，光强调制器3半波电压为 ，调制速度可达40GHz，控制计算机7根据光学接收机4输出的回波信号强度随时间的变
化，生成反馈电压信号。任意波形发生器6根据反馈电压信号控制输入光强调制器3的调制电压V，智能主动抑制可能饱和的信号。探测低层大气时，较强的后向散射光入射至光强调制器，光信号较强(近距离)， 由控制计算机7向任意波形发生器6发出指令，输入电光强度的调制电压接近Vy此时M-Z 干涉仪调制一臂中的光信号的相位发生改变，此时两臂的光信号干涉相消，光透过率较小， 抑制了近场强回波信号，避免了光学接收机的饱和；探测高层大气时，较弱的后向散射光入射至光强调制器，光信号较弱(远距离)，由控制计算机7向任意波形发生器6发出指令，输入电光强度的调制电压接近Vh，此时M-Z干涉仪的调制臂中的光信号的相位改变，光信号干涉相长，光透过率接近1。图4为本发明提供的光强调制器内部M-Z干涉仪型电光调制器结构示意图，其具有低的光损耗和高的光功率处理能力(高达400mw)，与半导体调制器相比，有更宽的调制带宽、零或可调谐的啁啾以及对温度不敏感性，在未来光纤通信系统中，它是一个非常有前景的器件，工作原理是在M-Z干涉仪电光调制器一臂上加调制电压v，通过智能调节调制电压ν改变通过该臂光信号的相位，两臂光信号在输出端发生干涉，使输出光信号的光强发生改变，实现光信号强度的调制。图5为本发明提供的光强调制器的工作原理图，图中给出了光强调制器的透过率与调制电压的关系，透过率曲线是调制电压的正弦函数，νπ是半波电压，Vh是透过率最大为 1时的调制电压，Vl是透过率最小为0时的调制电压。图6为本发明提供的光强调制器的信号调制流程图，其中(1)为大气后向散射光信号，曲线1的光信号强度最大值达到了光学接收机饱和阈值，曲线2的光信号强度超出了光学接收机饱和阈值，Is为光学接收机的饱和阈值，阴影部分为光信号饱和区域，( 为任意波形发生器根据反馈电压控制输入光强调制器的调制电压，( 为经调制电压调制后光强调制器的传递函数曲线，(4)为经光强调制器调制后的大气后向散射光信号。综上所述，所述的激光雷达中全光纤背景光压制和近场信号动态范围抑制技术， 采用全光纤连接方式提高了系统的运行稳定性，有效地抑制了背景光，实现全天时探测，提高了激光雷达探测精度和探测能力，实现了高低空一体化探测，大大降低了光路成本，且光路系统较简单，有利于光路调节。实施例下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明保护范围。1)如图1所示，大气分子散射信号经接收望远镜1至FBG背景滤波器2，FBG背景滤波器2是窄带、低损耗的透射式滤波器，目前带宽为0. lnm，峰值透射率达到99%，回波信号经FBG背景滤波器2，中心频率为υ C1的光信号透过率为99%，其它频段的光信号被滤除， 有效地抑制了背景光。FBG背景滤波器2封装在一个恒温温箱内。根据温度影响系数，计算温度稳定指标。然后将FBG背景滤波器2安装在精密平移台上，由压电陶瓷控制其应力分布，确保峰值透过率的波长位置与工作波长重叠。光纤光栅应力系数为1.261pm/μ ε，即光纤轴向应力每改变百万分之一，FBG背景滤波器2中心波长移动1. ^lpm,调节压电陶瓷平移台的驱动电压，沿着光纤光栅轴线方向施加应力，可以精确调节光纤光栅的峰值透过率对应的波长。2)滤除了背景噪声的光信号经光纤耦合至光强调制器3，光强调制器3半波电压为，调制速度可达40GHz，控制计算机7根据光学接收机4输出的回波信号强度随时间的变化，生成反馈电压信号。任意波形发生器6根据反馈电压信号控制输入光强调制器3的调制电压V，智能主动抑制可能饱和的信号。当光信号较强时，由控制计算机7向任意波形发生器6发出指令，输入电光强度的调制电压接近\，此时M-Z干涉仪调制一臂中的光信号的相位发生改变，此时两臂的光信号干涉相消，光透过率较小，抑制了近场强回波信号，避免了探测器的饱和；当光信号较弱 (远距离)时，由控制计算机7向任意波形发生器6发出指令，输入电光强度的调制电压接近VH，此时M-Z干涉仪的调制臂中的光信号的相位改变，光信号干涉相长，光透过率接近1。
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尽管上面对本发明说明性的具体实施方式
进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式
的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
权利要求
1.一种激光雷达中全光纤背景光压制和近场信号动态范围抑制技术的光学探测组件， 其特征在于所述光学探测组件包括接收望远镜(1)、FBG背景滤波器( 、光强调制器(3)、 光学接收机G)、温度控制器(5)、任意波形发生器(6)以及控制计算机(7)，所述光学探测组件在激光雷达的接收望远镜(1)和光学接收机(4)之间，激光雷达的回波信号由接收望远镜(1)通过光纤传输到FBG背景滤波器O)，再将FBG背景滤波器( 的输出信号通过光纤传输到光强调制器(3)，然后将光强调制器C3)的输出信号传输至光学接收机G)，其中，FBG背景滤波器O)，其封装在一个恒温温箱内，温度控制器( 始终使FBG背景滤波器(2)保持在恒定温度下工作，防止了中心工作波长的漂移，然后将FBG背景滤波器(2)安装在精密平移台上，由压电陶瓷控制其应力分布，确保峰值透过率的波长位置与工作波长重叠，该FBG背景滤波器(2)是窄带、低损耗的透射式滤波器，带宽为0. lnm，透过光信号的中心频率为υ ^，峰值透过率达到99%，回波信号经FBG背景滤波器0)，中心频率为υ。的回波信号透过率为99%，其它频段的回波信号的透过率小于1%，其它频段的回波信号被有效滤除，即极大限度地抑制了背景光；光强调制器(3)，滤除了背景噪声的回波信号输出至光强调制器(3)，控制计算机(7) 根据光学接收机(4)输出的回波信号强度随时间的变化生成反馈电压信号，任意波形发生器(6)根据所述反馈电压信号控制输入光强调制器( 的调制电压V，智能主动抑制可能饱和的信号；该光强调制器(3)内部是具有M-Z干涉仪型电光调制器结构的光强调制器，其中一臂上加调制电压V;探测低层大气时，较强的后向散射光入射至光强调制器(3)，通过调节调制电压V使加了调制电压的一臂的回波信号的相位改变等于异相的半波长，此时两臂的回波信号发生相消干涉，输出至光学接收机的回波信号的强度达到最小，避免了光学接收机的饱和；探测高层大气时，较弱的后向散射光入射至光强调制器(3)，通过调节调制电压V使加了调制电压的一臂的回波信号的相位改变等于波长的整数倍，此时两臂的回波信号发生相长干涉，输出至光学接收机的光信号的强度达到最大。
2.根据权利要求1所述的一种激光雷达中全光纤背景光压制和近场信号动态范围抑制技术的光学探测组件，其特征在于所述FBG背景滤波器( 中光纤光栅温度响应系数为 0. 01nm/°C，光纤光栅应力系数为1. 261pm/μ ε。
3.根据权利要求1所述的一种激光雷达中全光纤背景光压制和近场信号动态范围抑制技术的光学探测组件，其特征在于所述光强调制器C3)半波电压为Vn，调制速度为 40GHz。
全文摘要
本发明公开了一种激光雷达中全光纤背景光压制和近场信号动态范围抑制技术的光学探测组件，本发明采用FBG背景滤波器滤除背景噪声，关键在于使用温度补偿和光纤布拉格光栅轴向应力控制，使得FBG背景滤波器的峰值透过率位置正好在激光雷达的工作波长处，有效的抑制了背景光，实现全天时探测；并采用光强调制器对激光雷达接收光信号强度进行调制，光强调制器能够根据回波信号的特征主动电光调制激光雷达信号的动态范围，可以在保障远程信号极大信噪比的前提下，抑制近场信号，避免光电探测器近场信号饱和，提高激光出射功率及远场目标的回波功率，实现高低空一体化探测；并且用全光纤连接，提高了系统运行稳定性；本发明大大降低了光路成本，且光路系统较简单，有利于光路调节。
文档编号G01S13/95GK102419435SQ201110230599
公开日2012年4月18日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者夏海云, 孙东松, 窦贤康, 薛向辉, 陈廷娣, 韩燕 申请人:中国科学技术大学