CN109239731B - 一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的装置和方法 - Google Patents

一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的装置和方法,涉及基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的技术，为了解决在空间长距离测距中调频连续波雷达的探测信号强度微弱的问题。辅助干涉仪用于产生时钟信号，并发送给数据采集卡的时钟端；信号放大光路用于产生自发布里渊散射放大区；主干涉仪的光路中包括本征参考光和探测光；探测光入射至空间物体，空间物体的漫反射光进入自发布里渊散射放大区进行自发布里渊散射放大，漫反射放大光与本征参考光发生拍频相干；数据采集卡用于对拍频相干信号进行采集，并发送给计算模块；计算模块，用于根据拍频相干信号进行计算。本发明适用于空间微弱信号的探测及放大。

Description

一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的 装置和方法
技术领域
本发明涉及非线性光学领域，具体涉及基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的技术。
背景技术
调频连续波技术最早实现于70年代，主要应用于远距离的目标发现和测距测速，如今已广泛应用于连续波高度计、汽车防撞雷达、车载自动驾驶雷达等应用领域。调频连续波技术从80年代开始得到普遍关注。它具有技术成熟、兼容性好、辐射功率小、测距测速精度高、没有距离盲区等优点。
现有调频连续波技术主要是进行弹性散射(瑞利散射)和反射的探测，对于空间测距应用中对于空间中微弱的信号散射信号，例如空气中尘埃的漫散射和几公里外物体的反射，其探测能力对于发射机的功率以及接收机的灵敏度性能要求均有所提高，仪器的成本也大大提高。
发明内容
本发明的目的是为了解决在空间长距离测距中调频连续波雷达的探测信号强度微弱的问题，从而提供一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的装置和方法。
本发明所述的一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的装置，包括可调谐激光器1、辅助干涉仪、信号放大光路、主干涉仪、数据采集卡16和计算模块17；
可调谐激光器1输出的激光分别入射至辅助干涉仪、信号放大光路和主干涉仪；
辅助干涉仪，用于产生时钟信号，并发送给数据采集卡16的时钟端；
信号放大光路，用于产生自发布里渊散射放大区；
主干涉仪的光路中包括本征参考光和探测光；探测光入射至空间物体，空间物体的漫反射光进入自发布里渊散射放大区进行自发布里渊散射放大，漫反射放大光与本征参考光发生拍频相干；
数据采集卡16，用于对拍频相干信号进行采集，并发送给计算模块17；
计算模块17，用于根据拍频相干信号进行计算。
优选的是，可调谐激光器1输出的激光经第一耦合器2-1分成两路光，一路光入射至辅助干涉仪，另一路光再经第二耦合器2-2分成两路光，一路光入射至信号放大光路，另一路光入射至主干涉仪。
优选的是，辅助干涉仪包括第四耦合器2-4、第一法拉第旋转镜7-1、第二法拉第旋转镜7-2、第一时延光纤8-1和TTL时钟电路14；
第一耦合器2-1输出的一路光经第四耦合器2-4分成两路，一路光经第一法拉第旋转镜7-1反射后耦合进入第四耦合器2-4，另一路光经第一时延光纤8-1后入射至第二法拉第旋转镜7-2，再经第二法拉第旋转镜7-2反射后耦合进入第四耦合器2-4，第四耦合器2-4输出拍频相干信号，然后经TTL时钟电路14产生方波信号，该方波信号即为时钟信号。
优选的是，信号放大光路包括第二光纤放大器6-2、光纤环形器10、放大光纤13和隔离器12；
第二耦合器2-2输出的一路光经第二光纤放大器6-2放大后，进入光纤环形器10的1端口，经光纤环形器10的2端口由放大光纤13的一端进入，在放大光纤13中形成自发布里渊散射放大区，放大光纤13的另一端设有隔离器12。
优选的是，主干涉仪包括第一偏振控制器3-1、第二偏振控制器3-2、调制器、微波源5、第三耦合器2-3、第一光纤放大器6-1、第一准直扩束器9-1、第二准直扩束器9-2、第二时延光纤8-2、第五耦合器2-5和平衡探测器15；
第二耦合器2-2输出的另一路光经第一偏振控制器3-1后入射至调制器，微波源5输出射频信号驱动调制器，射频信号的频移为放大光纤13的布里渊频移，调制器输出的光经第三耦合器2-3分成两路光；
一路光作为探测光，经第一光纤放大器6-1放大后，由第一准直扩束器9-1入射至空间物体11，空间物体11的漫反射光由第二准直扩束器9-2接收，再经隔离器12由放大光纤13的另一端进入，放大光纤13输出的漫反射放大光进入光纤环形器10的2端口并从3端口耦合进入第五耦合器2-5的一个输入端口；
另一路光作为本征参考光，经第二偏振控制器3-2后入射至第二时延光纤8-2，再进入第五耦合器2-5的另一个输入端口；
漫反射放大光与本征参考光发生拍频相干并由第五耦合器2-5的2个输出端输出至平衡探测器15，平衡探测器15的输出端连接数据采集卡16的采集信号输入端。
优选的是，调制器采用电光调制器4实现。
优选的是，计算模块17根据拍频相干信号进行计算，具体为：
对拍频相干信号做快速傅里叶变换处理，获得拍频相干信号在时域上的信息，并转化为在空间测距上的距离域信息，从距离域中获得空间物体11的位置信息。
本发明所述的一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的方法，该方法包括：
开启可调谐激光器1线性扫频输出，可调谐激光器1输出触发信号触发数据采集卡16作数据采集准备；
辅助干涉仪产生时钟信号，传输至数据采集卡16，使数据采集卡16对漫反射放大光与本征参考光的拍频信号进行等频率间隔采集；
信号放大光路在放大光纤13中产生自发布里渊散射放大区；
主干涉仪的光经调制器调制后频移放大光纤13的布里渊频移，再分为本征参考光和探测光；探测光由第一准直扩束器9-1入射至空间物体11，空间物体11的漫反射光由第二准直扩束器9-2接收并进入放大光纤13进行自发布里渊散射放大，漫反射放大光与本征参考光发生拍频相干，由平衡探测器15传输至数据采集卡16；
数据采集卡16采集拍频相干信号；
计算模块17对拍频相干信号进行保存并对拍频相干信号做快速傅里叶变换处理，获得空间物体11的位置信息。
本发明的有益效果：
1、本发明可用于实现空间微弱信号的探测及放大，利用光纤中的自发布里渊散射对微弱信号进行有效放大，可有效提高采用调频连续波技术空间测距的距离。
2、本发明应用于目前广泛使用的调频连续波雷达技术中，可拓展其空间测距的范围以及***相应的动态范围，降低发射机的发射功率要求，也可以降低接收机的接收镜孔径，降低成本要求。
附图说明
图1是具体实施方式三所述的一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的装置的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的装置，包括可调谐激光器1、辅助干涉仪、信号放大光路、主干涉仪、数据采集卡16和计算模块17；
可调谐激光器1输出的激光分别入射至辅助干涉仪、信号放大光路和主干涉仪；
辅助干涉仪，用于产生时钟信号，并发送给数据采集卡16的时钟端；
信号放大光路，用于产生自发布里渊散射放大区；
主干涉仪的光路中包括本征参考光和探测光；探测光入射至空间物体，空间物体的漫反射光进入自发布里渊散射放大区进行自发布里渊散射放大，漫反射放大光与本征参考光发生拍频相干；
数据采集卡16，用于对拍频相干信号进行采集，并发送给计算模块17；
计算模块17，用于根据拍频相干信号进行计算。
装置共分为三路，上路作为辅助干涉仪，实现对光源非线性调谐的补偿，中路作为基于非线性自发布里渊散射的信号放大光路，下路作为主干涉仪，实现对空间信号的测距。光纤为单模光纤，波长在1550nm附近的可调谐激光器作为光源。
本实施方式中，可调谐激光器1输出的激光经99：1的第一耦合器2-1分成两路光，1％的一路光入射至辅助干涉仪，99％的另一路光再经95：5的第二耦合器2-2分成两路光，5％的一路光入射至信号放大光路，95％的另一路光入射至主干涉仪。
本实施方式中，辅助干涉仪采用迈克尔逊结构；
辅助干涉仪包括第四耦合器2-4、第一法拉第旋转镜7-1、第二法拉第旋转镜7-2、第一时延光纤8-1和TTL时钟电路14；
第一耦合器2-1输出的一路光经第四耦合器2-4分成两路，一路光经第一法拉第旋转镜7-1反射后耦合进入第四耦合器2-4，另一路光经第一时延光纤8-1后入射至第二法拉第旋转镜7-2，再经第二法拉第旋转镜7-2反射后耦合进入第四耦合器2-4，第四耦合器2-4输出拍频相干信号，然后经TTL时钟电路14产生方波信号，作为数据采集卡16的外部时钟，输入数据采集卡16的时钟端。
本实施方式中，信号放大光路包括第二光纤放大器6-2、光纤环形器10、放大光纤13和隔离器12；
第二耦合器2-2输出的一路光经第二光纤放大器6-2放大后，进入光纤环形器10的1端口，经光纤环形器10的2端口由放大光纤13的一端进入，当功率达到一定值后在放大光纤13中形成自发布里渊散射放大区，放大光纤13的另一端设有隔离器12。
本实施方式中，主干涉仪包括第一偏振控制器3-1、第二偏振控制器3-2、调制器、微波源5、第三耦合器2-3、第一光纤放大器6-1、第一准直扩束器9-1、第二准直扩束器9-2、第二时延光纤8-2、第五耦合器2-5和平衡探测器15；空间测距采用收发分置的装置；
第二耦合器2-2输出的另一路光经第一偏振控制器3-1调整偏振态后入射至调制器，微波源5输出射频信号驱动调制器，射频信号的频移为放大光纤13的布里渊频移，调制器输出的光经90：10的第三耦合器2-3分成两路光；
10％的一路光作为探测光，经第一光纤放大器6-1放大后，由第一准直扩束器9-1入射至空间物体11，空间物体11的漫反射光由第二准直扩束器9-2接收，再经隔离器12由一定长度的放大光纤13的另一端进入，放大光纤13输出的漫反射放大光进入光纤环形器10的2端口并从3端口耦合进入第五耦合器2-5的一个输入端口；
90％的另一路光作为本征参考光，经第二偏振控制器3-2的偏振态调整后入射至第二时延光纤8-2，再进入第五耦合器2-5的另一个输入端口；
漫反射放大光与本征参考光发生拍频相干并由第五耦合器2-5的2个输出端输出至平衡探测器15，平衡探测器15探测并转换为电压，平衡探测器15的输出端连接数据采集卡16的采集信号输入端，，从模拟电压转换成数据电压值，实现采集保存。辅助干涉仪的作用是实现数据采集卡对平衡探测器探测到的主干涉仪的相干信号进行采集，最后保存至计算模块17进行数据处理。
第一耦合器2-1、第二耦合器2-2、第三耦合器2-3的耦合比需要根据实际光源的输出功率衡量确定。第一时延光纤8-1的长度需要根据实际空间测距上的范围进行调整；第二时延光纤8-2的长度需要根据放大光纤13的长度以及平衡探测器15的带宽参数进行长度上的调整。
本实施方式提出一种基于光纤中自发布里渊散射的技术，实现调频连续波对空间微弱信号的探测与放大，从而进一步提高调频连续波在空间测距上的能力与优势，拓宽空间测距的范围以及***相应的动态范围，并进一步降低发射机的发射功率要求，也可以降低接收机的接收镜孔径，降低成本要求。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的装置作进一步说明，本实施方式中，放大光纤13为具有一定长度的普通单模光纤或具有高非线性系数的特种光纤，都可以实现空间中微弱信号的布里渊放大；可以根据实际情况进行长度上的调整。
具体实施方式三：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的装置作进一步说明，本实施方式中，调制器采用电光调制器4实现。
具体实施方式四：本实施方式所述的一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的方法，该方法包括：
设定可调谐激光器1***参数，调谐范围设定，调谐速率设定，开启可调谐激光器1线性扫频输出，可调谐激光器1输出触发信号触发数据采集卡16作数据采集准备；
辅助干涉仪产生时钟信号，传输至数据采集卡16，使数据采集卡16对漫反射放大光与本征参考光的拍频信号进行等频率间隔采集；
信号放大光路在放大光纤13中产生自发布里渊散射放大区；
主干涉仪的光经调制器调制后频移放大光纤13的布里渊频移，再分为本征参考光和探测光；探测光由第一准直扩束器9-1入射至空间物体11，空间物体11的漫反射光由第二准直扩束器9-2接收并进入放大光纤13进行自发布里渊散射放大，漫反射放大光与本征参考光发生拍频相干，由平衡探测器15传输至数据采集卡16；
数据采集卡16采集拍频相干信号；
计算模块17对拍频相干信号进行保存并对拍频相干信号做快速傅里叶变换处理，获得空间物体11的位置信息；
本实施方式基于上述任意一项实施方式所述的一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的装置实现。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (6)

1.一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的装置，其特征在于，包括可调谐激光器(1)、辅助干涉仪、信号放大光路、主干涉仪、数据采集卡(16)和计算模块(17)；
可调谐激光器(1)输出的激光分别入射至辅助干涉仪、信号放大光路和主干涉仪；
辅助干涉仪，用于产生时钟信号，并发送给数据采集卡(16)的时钟端；
信号放大光路，用于产生自发布里渊散射放大区；
主干涉仪的光路中包括本征参考光和探测光；探测光入射至空间物体，空间物体的漫反射光进入自发布里渊散射放大区进行自发布里渊散射放大，漫反射放大光与本征参考光发生拍频相干；
数据采集卡(16)，用于对拍频相干信号进行采集，并发送给计算模块(17)；
计算模块(17)，用于根据拍频相干信号进行计算；
所述可调谐激光器(1)输出的激光经第一耦合器(2-1)分成两路光，一路光入射至辅助干涉仪，另一路光再经第二耦合器(2-2)分成两路光，一路光入射至信号放大光路，另一路光入射至主干涉仪；
所述辅助干涉仪包括第四耦合器(2-4)、第一法拉第旋转镜(7-1)、第二法拉第旋转镜(7-2)、第一时延光纤(8-1)和TTL时钟电路(14)；
第一耦合器(2-1)输出的一路光经第四耦合器(2-4)分成两路，一路光经第一法拉第旋转镜(7-1)反射后耦合进入第四耦合器(2-4)，另一路光经第一时延光纤(8-1)后入射至第二法拉第旋转镜(7-2)，再经第二法拉第旋转镜(7-2)反射后耦合进入第四耦合器(2-4)，第四耦合器(2-4)输出拍频相干信号，然后经TTL时钟电路(14)产生方波信号，该方波信号即为时钟信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的装置，其特征在于，所述信号放大光路包括第二光纤放大器(6-2)、光纤环形器(10)、放大光纤(13)和隔离器(12)；
第二耦合器(2-2)输出的一路光经第二光纤放大器(6-2)放大后，进入光纤环形器(10)的1端口，经光纤环形器(10)的2端口由放大光纤(13)的一端进入，在放大光纤(13)中形成自发布里渊散射放大区，放大光纤(13)的另一端设有隔离器(12)。
3.根据权利要求2所述的一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的装置，其特征在于，所述主干涉仪包括第一偏振控制器(3-1)、第二偏振控制器(3-2)、调制器、微波源(5)、第三耦合器(2-3)、第一光纤放大器(6-1)、第一准直扩束器(9-1)、第二准直扩束器(9-2)、第二时延光纤(8-2)、第五耦合器(2-5)和平衡探测器(15)；
第二耦合器(2-2)输出的另一路光经第一偏振控制器(3-1)后入射至调制器，微波源(5)输出射频信号驱动调制器，射频信号的频移为放大光纤(13)的布里渊频移，调制器输出的光经第三耦合器(2-3)分成两路光；
一路光作为探测光，经第一光纤放大器(6-1)放大后，由第一准直扩束器(9-1)入射至空间物体(11)，空间物体(11)的漫反射光由第二准直扩束器(9-2)接收，再经隔离器(12)由放大光纤(13)的另一端进入，放大光纤(13)输出的漫反射放大光进入光纤环形器(10)的2端口并从3端口耦合进入第五耦合器(2-5)的一个输入端口；
另一路光作为本征参考光，经第二偏振控制器(3-2)后入射至第二时延光纤(8-2)，再进入第五耦合器(2-5)的另一个输入端口；
漫反射放大光与本征参考光发生拍频相干并由第五耦合器(2-5)的2个输出端输出至平衡探测器(15)，平衡探测器(15)的输出端连接数据采集卡(16)的采集信号输入端。
4.根据权利要求3所述的一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的装置，其特征在于，所述调制器采用电光调制器(4)实现。
5.根据权利要求1所述的一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的装置，其特征在于，所述计算模块(17)根据拍频相干信号进行计算，具体为：
对拍频相干信号做快速傅里叶变换处理，获得拍频相干信号在时域上的信息，并转化为在空间测距上的距离域信息，从距离域中获得空间物体(11)的位置信息。
6.一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的方法，其特征在于，该方法包括：
开启可调谐激光器(1)线性扫频输出，可调谐激光器(1)输出触发信号触发数据采集卡(16)作数据采集准备；
辅助干涉仪产生时钟信号，传输至数据采集卡(16)，使数据采集卡(16)对漫反射放大光与本征参考光的拍频信号进行等频率间隔采集；
信号放大光路在放大光纤(13)中产生自发布里渊散射放大区；
主干涉仪的光经调制器调制后频移放大光纤(13)的布里渊频移，再分为本征参考光和探测光；探测光由第一准直扩束器(9-1)入射至空间物体(11)，空间物体(11)的漫反射光由第二准直扩束器(9-2)接收并进入放大光纤(13)进行自发布里渊散射放大，漫反射放大光与本征参考光发生拍频相干，由平衡探测器(15)传输至数据采集卡(16)；
数据采集卡(16)采集拍频相干信号；
计算模块(17)对拍频相干信号进行保存并对拍频相干信号做快速傅里叶变换处理，获得空间物体(11)的位置信息；
该方法基于权利要求3或4所述的一种基于自发布里渊散射实现空间微弱信号的探测及放大的装置实现。
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