CN113885042A - 一种1.55μm单光子相干激光雷达探测方法及装置 - Google Patents

一种1.55μm单光子相干激光雷达探测方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN113885042A
CN113885042A CN202110943704.2A CN202110943704A CN113885042A CN 113885042 A CN113885042 A CN 113885042A CN 202110943704 A CN202110943704 A CN 202110943704A CN 113885042 A CN113885042 A CN 113885042A
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
single photon
detection
apd
target
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110943704.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113885042B (zh
Inventor
孙剑峰
史晓晶
陆威
戈伟洁
张儒鹏
周鑫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN202110943704.2A priority Critical patent/CN113885042B/zh
Publication of CN113885042A publication Critical patent/CN113885042A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113885042B publication Critical patent/CN113885042B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S17/894—3D imaging with simultaneous measurement of time-of-flight at a 2D array of receiver pixels, e.g. time-of-flight cameras or flash lidar
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/484—Transmitters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
    • G01S7/4863—Detector arrays, e.g. charge-transfer gates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4865—Time delay measurement, e.g. time-of-flight measurement, time of arrival measurement or determining the exact position of a peak
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/495—Counter-measures or counter-counter-measures using electronic or electro-optical means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置，涉及激光技术应用领域。对于现有的激光雷达来说，探测方式需要提高探测灵敏度，提升导引头探测距离能力，提高获取目标多维度信息能力，提升抗干扰和目标识别能力。本发明将GM‑APD焦平面探测应用到激光脉冲相干技术，采用基于Gm‑APD外差相干方案，并选用短波红外波长，该探测方案较比相干探测***成像探测灵敏度高，可同时获取远距离目标三维距离值、平面轮廓强度值以及多普勒目标速度值，在空间立体角度下获得更加精确的目标信息差异性，为目标识别、跟踪等提供可靠的三维空间数据，在外差探测强抗干扰能力的基础上将探测灵敏度提高到单光子量级，适用于远程非合作目标弱光探测领域。

Description

一种1.55μm单光子相干激光雷达探测方法及装置
技术领域
涉及激光技术应用领域，具体涉及一种1.55μm单光子相干激光雷达探测方法及装置。
背景技术
激光雷达自诞生之日起，就一直在军事应用广泛应用，其中激光主动成像制导技术是关键技术最多、难度最大的应用方向。20世纪80年代初，美国MIT林肯实验室首次演示成功二维单元扫描激光脉冲相干雷达反坦克制导技术，随后，DARPA和美国空军支持了巡航导弹先进制导(CMAG)计划。20世纪90年代初，该项技术成功装备到AGM-129A巡航导弹，是世界首个型号应用，通过多普勒测速解决地形匹配问题，将制导精度由40m提高到3m，提高了一个数量级。
对于现有的激光雷达来说，探测方式提出了更高要求：(1)提高探测灵敏度，要突破限制单光子探测概率瓶颈问题，提升导引头探测距离能力；(2)提高获取目标多维度信息能力，全面表征目标，突破干扰源与目标信息混叠瓶颈问题，提升抗干扰和目标识别能力。
发明内容
为解决现有的激光雷达在激光主动成像制导技术中已经满足不了探测要求的技术问题，本申请采用的方案如下：
一种1.55单光子相干激光雷达探测μm方法，所述方法包括：
将连续光经光纤分束器分成两束，其中一束光为本振光LO，另一束为种子光MO；
将所述的种子光斩成脉宽为200ns的脉冲激光，同时将种子光移频80MHZ，形成移频调制光；
将所述的移频调制光通过环形器准直器和扩束器发射至目标表面；
目标表面反射的回波信号经过环形器输入至耦合器；
将本振光经分束器分束，获得1％的衰减光，再过0.6-50dB衰减器进行衰减，获得衰减光；
将衰减光经过电光调制器发射至耦合器；
将所述的回波光与所述的斩波衰减光耦合形成耦合光；
所述耦合光为探测结果发射至检测装置；
将所述的种子光形成移频调制光的同时还激活触发APD，该触发APD发射触发信号给所述的Gm-APD单光子探测器。
一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置，所述的装置包括：1550nm可调谐激光器、声光调制器、触发APD、环形器、准直器、扩束镜、衰减器、电光调制器、耦合器、Gm-APD单光子探测器和面阵接收模块；
所述装置的各个部分之间采用光纤进行连接，所述的可调谐激光器输出的连续光经光纤分束器分成两束光，分别为本振光LO和种子光MO；
通过信号发生器发射斩波信号给所述的声光调制器，所述的种子光经声光调制器进行移频、以及斩波处理形成移频调制光，该移频调制光发射至环形器，环形器输出的光先后经准直器、扩束器发射至待测目标表面，经所述目标表面反射的回波信号经过环形器后输入至耦合器；
所述的信号发生器还输出给触发APD，触发APD输出触发信号给Gm-APD单光子探测器作为触发信号；
所述的本振光经分束器分束获得分束后的光，其中一条所述的分束后的光经衰减器衰减后输出至耦合器；
进一步，所述的装置还包括：功率计；所述的功率计用于检测耦合器输出的另一束光的功率。
进一步，所述的连续光被分为1:9的两束光，其中10％的光为本振光，90％的光为种子光。
进一步，所述的声光调制器能够将输入光移频80MHz，将脉宽调制为200ns。
进一步，所述的衰减器能的衰减能力在0.6-55dB范围内。
进一步，所述的本振光被分为两束光，所述的两束光的比例为1:99，其中，1％的光作为进入耦合器的一束光。
进一步，所述的装置还包括：三拉三顶结构；所述的三拉三顶结构用于固定所述的准直器和扩束镜，使得所述的环形器输出的光经过所述的准直器和扩束镜中心位置。
进一步，所述的装置还包括：机械拉紧支架；所述的机械拉紧支架用于固定所述的准直器和扩束镜，使得所述的环形器输出的光经过所述的准直器和扩束镜之后放射至目标的中间位置。
进一步，所述的单光子探测器采用64*64面阵探测。
本申请的有益之处在于：
1.GM-APD焦平面探测应用到激光脉冲相干技术，可同时获取目标三维距离值、平面轮廓强度值和多普勒速度值，能从多维度审视干扰源和目标信息的差异性，是解决当前光学成像瓶颈问题的技术方向。
2.本申请将现有“GM-APD焦平面探测”技术应用到现有“激光脉冲相干技术”中；Gm-APD单光子探测器其具有的特点为探测器各个像元可被单个光电子触发雪崩，且暗噪声比传统线性探测器要低很多，因此脉冲相干探测回波信号在这种单光子探测器下触发灵敏度更高。但是在现有技术中对于这种探测方式的研究均为理论分析，没有试验证明。本申请通过实验将其组合，通过本申请提供的探测方法可以将探测灵敏度提高到单光子量级。
3.本发明在外差探测强抗干扰能力的基础上将探测灵敏度提高到单光子量级，更适用于远程非合作目标弱光探测领域。对于4096个像元的探测器，脉宽为200ns的单脉冲峰值功率为0.7μw以内该***信噪比优势更明显，且功率越低，该***较比直接探测优势越明显。
附图说明
图1为一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置***框图。
图2为根据图1搭建的实验平台的原理示意图。
图3为实施方式十中无目标实验的窗的位置与频谱峰值曲线关系。
图4为实施方式十中无目标实验的单帧面阵时域统计数据结果。
图5为实施方式十一中的目标场景图。
图6为实施方式十一中采用现有技术探测获得的回波位置处功率谱曲线。
图7为实施方式十一中采用本发明提供的装置探测获得的回波位置处功率谱曲线。
具体实施方式
实施方式一、本实施方式提供了一种一种1.55μm单光子相干激光雷达探测方法，所述方法包括：
将连续光经光纤分束器分成两束，其中一束光为本振光LO，另一束为种子光MO；
将所述的种子光斩成脉宽为200ns的脉冲激光，同时将种子光移频80MHZ，形成移频调制光；
将所述的移频调制光通过环形器准直器和扩束器发射至目标表面；
目标表面反射的回波信号经过环形器输入至耦合器；
将本振光经分束器分束，获得1％的衰减光，再过0.6-50dB衰减器进行衰减，获得衰减光；
将衰减光经过电光调制器发射至耦合器；
将所述的回波光与所述的斩波衰减光耦合形成耦合光；
所述耦合光为探测结果发射至检测装置；
将所述的种子光形成移频调制光的同时还激活触发APD，该触发APD发射触发信号给所述的Gm-APD单光子探测器。
实施方式二、结合图1说明本实施方式，本实施方式提供了一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置，所述的装置包括：1550nm可调谐激光器、声光调制器、触发APD、环形器、准直器、扩束镜、衰减器、电光调制器、耦合器、Gm-APD单光子探测器和面阵接收模块；
所述装置的各个部分之间采用光纤进行连接，所述的可调谐激光器输出的连续光经光纤分束器分成两束光，分别为本振光LO和种子光MO；
通过信号发生器发射斩波信号给所述的声光调制器，所述的种子光经声光调制器进行移频、以及斩波处理形成移频调制光，该移频调制光发射至环形器，环形器输出的光先后经准直器、扩束器发射至待测目标表面，经所述目标表面反射的回波信号经过环形器后输入至耦合器；
所述的信号发生器还输出给触发APD，触发APD输出触发信号给Gm-APD单光子探测器作为触发信号；
所述的本振光经分束器分束获得分束后的光，其中一条所述的分束后的光经衰减器衰减后输出至耦合器；
所述耦合器将输入的回波信号和上所述的其中一条分束后的本振光进行耦合输出两束光，其中一束光束发射至Gm-APD单光子探测器的焦平面上。
本实施方式的有益之处在于：基于Gm-APD的单光子探测能力的Gm-APD激光雷达具有探测灵敏度高、响应速度快和从多维度审视干扰源和目标信息的差异性的特点。激光脉冲相干探测技术能获取目标速度、强度、距离等多维度信息，在解决目标识别问题方面优势显著。并且利用外差探测体制抑制背景光噪声的同时通过光子计数探测方式能够提高相干探测灵敏度，达到远距离探测的目的。
实施方式三、结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二提供的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置的进一步限定，所述的装置还包括：功率计；所述的功率计用于检测耦合器输出光的功率。
实施方式四、结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二提供的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置的进一步限定，所述的连续光被分为1:9的两束光，其中10％的光为本振光，90％的光为种子光。
实施方式五、结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二提供的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置的进一步限定，所述的声光调制器能够将输入光移频80MHz，将脉宽调制为200ns。
实施方式六、结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二提供的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置的进一步限定，所述的衰减器能的衰减能力在0.6-55dB范围内。
本实施方式的有益之处在于：根据回波信号能量大小调节本振光大小，使单光子外差探测达到最大信噪比，更加有效的提取目标信息。
实施方式七、结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二提供的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置的进一步限定，所述的本振光被分为两束光，所述的两束光的比例为1:99，其中，1％的光作为进入耦合器的一束光。
实施方式八、本实施方式是对实施方式二提供的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置的进一步限定，所述的装置还包括：三拉三顶结构；所述的三拉三顶结构用于固定所述的准直器和扩束镜，使得所述的环形器输出的光经过所述的准直器和扩束镜中心位置。
本实施方式的有益之处在于：增加了三拉三顶结构，保证了光学有效校准及保持光学、力学的稳定，让相干探测***变得高效、提高了探测的稳定性。
实施方式九、本实施方式是对实施方式一提供的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置的进一步限定，所述的装置还包括：机械拉紧支架；所述的机械拉紧支架用于固定所述的准直器和扩束镜，保证激光经过所述的准直器和扩束镜之后打在目标的中间位置。
本实施方式的有益之处在于：增加了机械拉紧支架，保证了光学有效校准及保持光学、力学的稳定，让相干探测***变得高效、提高了探测的稳定性。
实施方式十、结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二提供的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置的进一步限定，所述的单光子探测器采用64*64面阵探测。
本实施方式的有益之处在于：Gm-APD采用64*64面阵探测，可以有效获得目标位置处的信息，使数据量足够进行后续的信号处理。
实施方式十一、结合图1说明本实施方式，本实施方式针对实施方式二提供的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置提供了一个具体实施方式，所述的具体实施方式为：***采用全光纤收发合制，1550nm可调谐激光器发射的连续光经过1:9光纤分束器分成两束，一束光用做本振光(LO)，另一束光用作主振种子光(MO)，种子光经过声光调制器(AOM)将连续激光斩成脉冲光输出，种子光的频率同时被移频80MHz，实验过程中分为有目标以及无目标验证Gm-APD单光子外差探测可应用性。
(1)当有目标时，移频后的信号光需经过环形器发射出去，经过准直器以及扩束器打到目标表面，回波信号经过环形器后通过耦合器与本振光合束后打到Gm-APD面阵探测器的焦平面上。
(2)无目标时，移频后的种子光直接通过耦合器与本振光合束后打到Gm-APD面阵探测器的焦平面上。
而分束后的本振光利用1:99的光纤分束器将分成两束，1％的本振光需要经过0.6～50dB的衰减器进行信号衰减，由于Gm-APD探测原理，在探测器开门时会有冲击响应，因此衰减后的本振光需要经过EMO进行斩波使本振光不影响探测器冲击响应。调制后的本振光与信号光在耦合器耦合后一束光聚焦到Gm-APD面阵探测器的焦平面上，在Gm-APD上接收到的差频信号单光子转变为光电子在开启Gm-APD面阵探测器工作的同时，开启TDC计数器的计数工作，通过雪崩放大终止探测器的工作，并保存接收记录，同时终止TDC计时电路的工作，记录下计数数值，通过计数值获得激光脉冲的往返时间信息。另一束光作为监测光用来监测APD表面光功率。实验中选用64×64阵列的盖格模式下硅级Gm-APD阵列探测器。
本实施方式是对单光子计数***中获取的脉冲序列到达时间做统计直方图，经过后续信号处理解算出目标的距离值、强度值以及速度信息。
实施方式十二、结合图2-4说明本实施方式，本实施方式是根据实施方式二提供的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置搭建的实验平台，实验采用无目标探测验证该***可行性，即经过AOM调制后的信号光直接接入到耦合器中，设置单个像元脉宽内平均信号光子数为0.1个，信号光经过声光调制器调制后移频80MHz，脉宽调制为200ns，2pift本振光经过衰减后单个像元脉宽内平均光子数为0.55个，采集距离门设置为2us，通过调节信号发生器设置脉冲距离APD采集开始时间为100ns。APD信号采集频率为250Mhz，即采集时间间隔为4ns。
本实施方式对20000帧实验数据进行加窗傅里叶变换(FFT)并频谱累加，得到窗的位置与频谱峰值曲线关系如图3所示，根据图3获得回波信号位置，并对该位置处进行单帧面阵时域统计结果如图4所示，图4中纵坐标表示探测器触发个数。
从图3中能够看到拟合后频谱峰值所在的窗的位置是25，即为100ns位置处，与实际相符。对该位置进行单帧时域统计后能够看到在时间τ内，由于存在本振光和噪声光子，因此在该时间内触发概率较大，对100ns～300ns位置进行傅里叶变换可以看到80MHz的差频信号，与实际相符。
实施方式十三、结合图5-7说明本实施方式，本实施方式是使用实施方式二提供的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置对室内45米目标距离检测实验，参见图5所示的为被测目标，调制激光脉宽为200ns，激光发射功率为20mw，经过计算回波功率为0.36nw,单个像元平均脉宽内回波光子总数为0.014个，APD采集开始与目标回波信号时间差为100ns，***无本振光时进行直接探测，本振光经过衰减后保持脉宽内光子数为0.55个时进行光子外差探测，根据能量守恒定律，直接探测中回波信号光在频谱中表现为直流分量，即位于零频率处的一个冲激函数。而单光子外差探测中外差项表现为功率谱中100MHz的信号幅值，因此，将以上两种探测方式回波位置处进行傅里叶变换后平方除以采样个数后，分别对0频率处以及差频频率处功率谱求和即为两种探测方式信号的能量，图6为采用现有技术探测获得的回波位置处功率谱曲线，图7为采用本发明提供的装置进行探测获得的回波位置处功率谱曲线。
从图6中可以得出直接探测时信号能量为3.2·10-6，从图7中可以得出***外差项信号能量为4.9·10-6，本领域技术人员可以毫无疑义的得知Gm-APD平均单个像元回波光子数小于0.014个后，光子外差探测优势明显。
本发明的有益之处在于：
(1)本振光能量衰减在0.6～55dB范围内可调，根据回波信号能量大小调节本振光大小，使单光子外差探测达到最大信噪比，更加有效的提取目标信息。
(2)激光脉冲重频为10kHz，主振光脉宽可调，根据脉宽的大小调节本振光的大小，使单光子外差探测外差项在脉宽内达到最大化，从而提高***信噪比。
(3)Gm-APD采用64*64面阵探测，可以有效获得目标位置处的信息，使数据量足够进行后续的信号处理。
(4)光学有效校准及保持光学、力学稳定是相干探测***高效、稳定探测的前提，采用三拉三顶结构及机械拉紧支架配合实现光学校准及结构稳定。
本发明采用基于Gm-APD外差相干方案，并选用短波红外波长，提升了***全天候适应性；该探测方案较比相干探测***成像探测灵敏度高，更适用于远距离目标极微弱信号的提取；可同时获取远距离目标三维距离值、平面轮廓强度值以及多普勒目标速度值，在空间立体角度下获得更加精确的目标信息差异性，为目标识别、跟踪等提供可靠的三维空间数据，是解决当前光学成像瓶颈问题的技术方向。

Claims (10)

1.一种1.55μm单光子相干激光雷达探测方法，其特征在于，所述方法包括：
将连续光经光纤分束器分成两束，其中一束光为本振光LO，另一束为种子光MO；
将所述的种子光斩成脉宽为200ns的脉冲激光，同时将种子光移频80MHZ，形成移频调制光；
将所述的移频调制光通过环形器准直器和扩束器发射至目标表面；
目标表面反射的回波信号经过环形器输入至耦合器；
将本振光经分束器分束，获得1％的衰减光，再过0.6-50dB衰减器进行衰减，获得衰减光；
将衰减光经过电光调制器发射至耦合器；
将所述的回波光与所述的斩波衰减光耦合形成耦合光；
所述耦合光为探测结果发射至检测装置；
将所述的种子光形成移频调制光的同时还激活触发APD，该触发APD发射触发信号给所述的Gm-APD单光子探测器。
2.一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置，其特征在于：所述的装置包括：1550nm可调谐激光器、声光调制器、触发APD、环形器、准直器、扩束镜、衰减器、电光调制器、耦合器、Gm-APD单光子探测器和面阵接收模块；
所述装置的各个部分之间采用光纤进行连接，所述的可调谐激光器输出的连续光经光纤分束器分成两束光，分别为本振光LO和种子光MO；
通过信号发生器发射斩波信号给所述的声光调制器，所述的种子光经声光调制器进行移频、以及斩波处理形成移频调制光，该移频调制光发射至环形器，环形器输出的光先后经准直器、扩束器发射至待测目标表面，经所述目标表面反射的回波信号经过环形器后输入至耦合器；
所述的信号发生器还输出给触发APD，触发APD输出触发信号给Gm-APD单光子探测器作为触发信号；
所述的本振光经分束器分束获得分束后的光，其中一条所述的分束后的光经衰减器衰减后输出至耦合器；
所述耦合器将输入的回波信号和上所述的其中一条分束后的本振光进行耦合输出两束光，其中一束光束发射至Gm-APD单光子探测器的焦平面上，单光子探测器输出信号给面阵接收模块。
3.根据权利要求2所述的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置，其特征在于：所述的装置还包括：功率计；所述的功率计用于检测耦合器输出的另一束光的功率。
4.根据权利要求2所述的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置，其特征在于：所述的连续光被分为1:9的两束光，其中10％的光为本振光，90％的光为种子光。
5.根据权利要求2所述的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置，其特征在于：所述的声光调制器能够将输入光移频80MHz，将脉宽调制为200ns。
6.根据权利要求2所述的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置，其特征在于：所述的衰减器能的衰减能力在0.6-55dB范围内。
7.根据权利要求2所述的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置，其特征在于：所述的本振光被分为两束光，所述的两束光的比例为1:99，其中，1％的光作为进入耦合器的一束光。
8.根据权利要求2所述的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置，其特征在于：所述的装置还包括：三拉三顶结构；所述的三拉三顶结构用于固定所述的准直器和扩束镜，使得所述的环形器输出的光经过所述的准直器和扩束镜中心。
9.根据权利要求2所述的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置，其特征在于：所述的装置还包括：机械拉紧支架；所述的机械拉紧支架用于固定所述的准直器和扩束镜，使得所述的环形器输出的光经过所述的准直器和扩束镜之后放射至目标的中间位置。
10.根据权利要求2所述的一种1.55μm单光子相干激光雷达***装置，其特征在于：所述的单光子探测器采用64*64面阵探测。
CN202110943704.2A 2021-08-17 2021-08-17 一种1.55μm单光子相干激光雷达探测方法及装置 Active CN113885042B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110943704.2A CN113885042B (zh) 2021-08-17 2021-08-17 一种1.55μm单光子相干激光雷达探测方法及装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110943704.2A CN113885042B (zh) 2021-08-17 2021-08-17 一种1.55μm单光子相干激光雷达探测方法及装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113885042A true CN113885042A (zh) 2022-01-04
CN113885042B CN113885042B (zh) 2022-06-03

Family

ID=79010721

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110943704.2A Active CN113885042B (zh) 2021-08-17 2021-08-17 一种1.55μm单光子相干激光雷达探测方法及装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113885042B (zh)

Citations (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5241315A (en) * 1992-08-13 1993-08-31 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Micro pulse laser radar
US5838439A (en) * 1997-03-14 1998-11-17 Zang; De Yu Heterodyned self-mixing laser diode vibrometer
EP1854186A2 (en) * 2004-12-16 2007-11-14 Vectronix AG Not temperature stabilized pulsed laser diode and all fibre power amplifier
CN102004255A (zh) * 2010-09-17 2011-04-06 中国科学院上海技术物理研究所 啁啾调幅激光雷达距离-多普勒零差探测***
WO2011070656A1 (ja) * 2009-12-09 2011-06-16 Koyama Naoyuki 測距方法及びレーザ測距装置
KR20120098529A (ko) * 2011-02-28 2012-09-05 한국과학기술원 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템 및 방법
CN102928832A (zh) * 2012-11-30 2013-02-13 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距***
JP2013238474A (ja) * 2012-05-15 2013-11-28 Mitsubishi Electric Corp レーザーレーダー装置
CN104914444A (zh) * 2015-07-06 2015-09-16 江苏安智光电科技有限公司 一种远距离激光外差干涉测距结构
CN106872995A (zh) * 2017-04-14 2017-06-20 北京佳讯飞鸿电气股份有限公司 一种激光雷达探测方法及装置
CN107045129A (zh) * 2017-05-04 2017-08-15 哈尔滨工业大学 基于激光微多普勒效应跟踪识别低小慢目标的激光雷达***
CN107272020A (zh) * 2017-07-19 2017-10-20 哈尔滨工业大学 基于Gm‑APD的高灵敏偏振激光雷达***
US20170350964A1 (en) * 2016-06-03 2017-12-07 Alcatel-Lucent Usa Inc. Coherent lidar system using tunable carrier-suppressed single-sideband modulation
WO2018083749A1 (ja) * 2016-11-02 2018-05-11 三菱電機株式会社 レーザレーダ装置
CN110161520A (zh) * 2019-06-11 2019-08-23 中国科学院光电技术研究所 一种基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达
CN110780310A (zh) * 2019-12-31 2020-02-11 杭州爱莱达科技有限公司 偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法及装置
CN111175780A (zh) * 2020-01-19 2020-05-19 哈尔滨理工大学 一种注入锁定调频连续波激光雷达测速装置及方法
JP2020085723A (ja) * 2018-11-28 2020-06-04 国立研究開発法人産業技術総合研究所 光学的測定装置及び測定方法
CN111316122A (zh) * 2017-09-19 2020-06-19 维宁尔美国公司 扫描激光雷达***及方法
CN112050747A (zh) * 2020-09-30 2020-12-08 中电科仪器仪表有限公司 一种布里渊强度及频移应变温度系数自动测试***及方法
CN112068107A (zh) * 2020-09-09 2020-12-11 北京理工大学 一种基于外差锁相的脉冲光相控阵激光雷达***
CN112213737A (zh) * 2019-06-24 2021-01-12 南京理工大学 远距离光子计数三维激光雷达成像***及其方法
US20210041568A1 (en) * 2019-08-08 2021-02-11 Huazhong University Of Science And Technology Gm-apd array lidar imaging method and system under strong background noise
CN112880824A (zh) * 2021-01-07 2021-06-01 中国科学院西安光学精密机械研究所 超短光脉冲放大压缩***cep的噪声测量、稳定控制方法及***
CN112946605A (zh) * 2021-02-04 2021-06-11 哈尔滨工业大学 基于gs相位恢复与轨道角动量调制的光子外差探测方法

Patent Citations (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5241315A (en) * 1992-08-13 1993-08-31 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Micro pulse laser radar
US5838439A (en) * 1997-03-14 1998-11-17 Zang; De Yu Heterodyned self-mixing laser diode vibrometer
EP1854186A2 (en) * 2004-12-16 2007-11-14 Vectronix AG Not temperature stabilized pulsed laser diode and all fibre power amplifier
WO2011070656A1 (ja) * 2009-12-09 2011-06-16 Koyama Naoyuki 測距方法及びレーザ測距装置
CN102004255A (zh) * 2010-09-17 2011-04-06 中国科学院上海技术物理研究所 啁啾调幅激光雷达距离-多普勒零差探测***
KR20120098529A (ko) * 2011-02-28 2012-09-05 한국과학기술원 듀얼 가이거 모드 어밸런치 광다이오드를 운용하는 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템 및 방법
JP2013238474A (ja) * 2012-05-15 2013-11-28 Mitsubishi Electric Corp レーザーレーダー装置
CN102928832A (zh) * 2012-11-30 2013-02-13 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距***
CN104914444A (zh) * 2015-07-06 2015-09-16 江苏安智光电科技有限公司 一种远距离激光外差干涉测距结构
US20170350964A1 (en) * 2016-06-03 2017-12-07 Alcatel-Lucent Usa Inc. Coherent lidar system using tunable carrier-suppressed single-sideband modulation
WO2018083749A1 (ja) * 2016-11-02 2018-05-11 三菱電機株式会社 レーザレーダ装置
CN106872995A (zh) * 2017-04-14 2017-06-20 北京佳讯飞鸿电气股份有限公司 一种激光雷达探测方法及装置
CN107045129A (zh) * 2017-05-04 2017-08-15 哈尔滨工业大学 基于激光微多普勒效应跟踪识别低小慢目标的激光雷达***
CN107272020A (zh) * 2017-07-19 2017-10-20 哈尔滨工业大学 基于Gm‑APD的高灵敏偏振激光雷达***
CN111316122A (zh) * 2017-09-19 2020-06-19 维宁尔美国公司 扫描激光雷达***及方法
JP2020085723A (ja) * 2018-11-28 2020-06-04 国立研究開発法人産業技術総合研究所 光学的測定装置及び測定方法
CN110161520A (zh) * 2019-06-11 2019-08-23 中国科学院光电技术研究所 一种基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达
CN112213737A (zh) * 2019-06-24 2021-01-12 南京理工大学 远距离光子计数三维激光雷达成像***及其方法
US20210041568A1 (en) * 2019-08-08 2021-02-11 Huazhong University Of Science And Technology Gm-apd array lidar imaging method and system under strong background noise
CN110780310A (zh) * 2019-12-31 2020-02-11 杭州爱莱达科技有限公司 偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法及装置
CN111175780A (zh) * 2020-01-19 2020-05-19 哈尔滨理工大学 一种注入锁定调频连续波激光雷达测速装置及方法
CN112068107A (zh) * 2020-09-09 2020-12-11 北京理工大学 一种基于外差锁相的脉冲光相控阵激光雷达***
CN112050747A (zh) * 2020-09-30 2020-12-08 中电科仪器仪表有限公司 一种布里渊强度及频移应变温度系数自动测试***及方法
CN112880824A (zh) * 2021-01-07 2021-06-01 中国科学院西安光学精密机械研究所 超短光脉冲放大压缩***cep的噪声测量、稳定控制方法及***
CN112946605A (zh) * 2021-02-04 2021-06-11 哈尔滨工业大学 基于gs相位恢复与轨道角动量调制的光子外差探测方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LONGKUN ZHANG 等: ""All-Fiber Frequency Shifter via Mode Conversion for Optical Heterodyne Micro-Vibration Measurement"", 《2020 CONFERENCE ON LASERS AND ELECTRO-OPTICS (CLEO)》 *
VICENTE DURAN 等: ""Heterodyne interferometry using acousto-optic frequency combs"", 《2017 CONFERENCE ON LASERS AND ELECTRO-OPTICS EUROPE & EUROPEAN QUANTUM ELECTRONICS CONFERENCE (CLEO/EUROPE-EQEC) 》 *
WEI LI 等: ""A ultra-short 1×2 double-wavelength optical power splitter for 1310/1550 nm operation based on photonic crystal multimode interference"", 《2009 ASIA COMMUNICATIONS AND PHOTONICS CONFERENCE AND EXHIBITION (ACP) 》 *
刘宣佑: ""光子外差探测***探测精度提升方法研究"", 《中国优秀硕士论文全文数据库》 *
张颖: ""高速光通信***中的概率成形编码调制技术的研究"", 《中国博士论文全文数据库》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113885042B (zh) 2022-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6817387B2 (ja) Ｌａｄａｒシステム及び方法
Stann et al. Intensity-modulated diode laser radar using frequency-modulation/continuous-wave ranging techniques
CN100478703C (zh) 基于半导体激光器的混沌激光测距方法及装置
US20160377721A1 (en) Beat signal bandwidth compression method, apparatus, and applications
CN105158770B (zh) 一种距离分辨率可调的相干测风激光雷达***
CN203909297U (zh) 基于高速单光子探测的激光测距仪
CN108375774A (zh) 一种无扫描的单光子成像探测激光雷达
CN101776760A (zh) 一种基于单光子探测器的激光三维成像装置
CN108089194A (zh) 一种基于复合伪随机编码的光子计数激光雷达
CN100478704C (zh) Ld抽运固体激光器混沌激光测距的装置及方法
CN110470387B (zh) 一种基于多探测器的单光子激光雷达装置
CN111650601B (zh) 车载相干激光雷达高分辨3d成像方法及装置
CN110133616B (zh) 一种激光雷达***
CN103116164B (zh) 外差脉冲压缩式多功能激光雷达及其控制方法
CN110161519A (zh) 一种宏脉冲光子计数激光雷达
US7148974B1 (en) Method for tracking the location of mobile agents using stand-off detection technique
CN110161520B (zh) 一种基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达
CA3048330A1 (en) Method for processing a signal from a coherent lidar in order to reduce noise and related lidar system
US6943868B2 (en) Apparatus for and method of optical detection and analysis of an object
CN102565807A (zh) 基于mppc光子计数统计的激光外差装置
Mao et al. Demonstration of In-Car Doppler Laser Radar at 1.55$\mu\hbox {m} $ for Range and Speed Measurement
Arbel et al. Continuously operating laser range finder based on incoherent pulse compression: noise analysis and experiment
CN111708004A (zh) 一种新型激光测距方法及激光雷达***
CN113885042B (zh) 一种1.55μm单光子相干激光雷达探测方法及装置
Guo et al. 3D imaging laser radar using Geiger-mode APDs: analysis and experiments

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant