一種雷射雷達光學接收裝置及雷射雷達測距方法與流程

2023-07-03 01:24:26

本發明涉及雷射雷達技術領域，尤其涉及一種雷射雷達光學接收裝置及雷射雷達測距方法。

背景技術：

雷射雷達是以發射雷射束探測目標位置等特徵量的雷達系統。雷射雷達在地球遙感方面應用廣泛，在進行探測時需要接收距離10km-40km左右的雷射回波信號，但10km-40km雷射回波信號光強度有6個量級的範圍。在低空的時候，每上升3km回波信號光強度約減少一個數量級；但在高空時，每上升10km回波信號光強度會減少一個數量級。為了提高探測的高度，通常增加雷射器的發射功率或者提高探測器的靈敏度。但增加雷射器的發射功率後，低空近距離的回波信號很強，容易造成接收系統飽和，甚至造成高靈敏度的探測器損失。

一般採用雙通道結構設計和分時選道的方法進行測距，以防止光電探測器工作在飽和區。現有技術中採用雙通道結構設計的雷射雷達光學接收裝置，其中,通過分光鏡將接收光路分成近場和遠場兩個通道，這樣通過分光將各通道的回波信號的功率進行分流，使得檢測近場和遠場的回波信號功率都能在光電檢測器的飽和範圍之內。

該光學接收裝置運用了分光鏡，當該裝置裝配完成後，該光學接收裝置的分光比是固定的，這樣不能滿足自適應近距離和遠距離的探測需求。

有鑑於此，現有技術有待改進和提高。

技術實現要素：

鑑於現有技術的不足，本發明目的在於提供一種雷射雷達光學接收裝置及雷射雷達測距方法，從而解決了現有技術中雷射雷達光學接收裝置不能滿足自適應近距離和遠距離的探測需求的技術問題，簡化了現有技術中雙通道結構設計，採用了一個聚焦透鏡和一個光電探測器，使得該裝置具有光路簡單、體積小的特性。

本發明的技術方案如下：

一種雷射雷達光學接收裝置，其中，包括依次連接設置的：

用於進行雷射探測時，接收雷射的回波信號的望遠鏡；用於對光信號準直的準直透鏡；用於對背景光進行帶通濾光的窄帶濾光片；用於通過衰減傳輸光功率實現對光信號的控制的可變光衰減器；用於對光信號進行聚焦的聚焦透鏡；用於根據光信號的光強度來輸出對應的電信號的光電探測器；

所述望遠鏡出射的發散光通過所述準直透鏡後聚集為平行出射光；平行出射光通過所述窄帶濾光片後僅通過發射雷射的窄波段範圍的光信號；光信號通過所述可變光衰減器後光信號為平行出射光，光信號的光功率衰減為可變光衰減器加入電壓值的函數；光信號通過所述聚焦透鏡後，光信號由平行入射光聚集為聚焦出射光；所述光電探測器接收聚焦的光信號，並將光信號對應的電信號進行顯示。

所述雷射雷達光學接收裝置，其中，在所述望遠鏡和所述準直透鏡之間還包括用於限制視場範圍的視場光闌。

所述雷射雷達光學接收裝置，其中，所述可變光衰減器由電壓控制光信號的衰減量。

所述雷射雷達光學接收裝置，其中，所述視場光闌位於所述望遠鏡的焦點位置。

所述雷射雷達光學接收裝置，其中，所述視場光闌的孔徑大小限定了光信號接收視場大小。

所述雷射雷達光學接收裝置，其中，所述光電探測器位於所述聚焦透鏡的焦點位置。

所述雷射雷達光學接收裝置，其中，所述可變光衰減器為磁光VOA或液晶VOA。

一種雷射雷達測距方法，其特徵在於，該方法包括：

A、雷射雷達發射器向目標發射雷射信號；

B、在雷射雷達光學接收裝置的可變光衰減器上加入電壓V，確定通過可變光衰減器光信號的衰減量；

C、用所述雷射雷達光學接收裝置接收雷射回波信號；

D、根據接收雷射信號的光強度、發射器發射的雷射信號的光強度、目標距離及其他影響雷射信號的光強度的參數，計算出目標到光學接收器間的距離。

所述雷射雷達測距方法，其中，步驟B還包括：

根據探測回波信號的距離對可變光衰減器上加入的電壓V進行調節。

所述雷射雷達測距方法，其中，所述可變光衰減器由電壓控制光信號的衰減量。

有益效果：本發明提出了一種雷射雷達光學接收裝置及雷射雷達測距方法，該裝置採用了一個聚焦透鏡和一個光電探測器，簡化了現有技術中雙通道結構設計的雷射雷達光學接收裝置中採用兩個聚焦透鏡和兩個光電探測器的結構，使得該裝置具有光路簡單、體積小的特性；通過可變光衰減器控制光信號的衰減量，能自適應近距離和遠距離的探測需求，防止光電探測器工作在飽和區或者探測器損失；可變光衰減器中的電壓值是連續可調的，因此分光比也是連續可調的，分光精度明顯提高。

附圖說明

圖1為本發明中雷射雷達光學接收裝置的光路結構示意圖。

圖2為本發明中雷射雷達測距方法的流程圖。

圖3為本發明中雷射雷達測距接收裝置的光路結構具體實施例的示意圖。

圖1符號說明：21望遠鏡；22視場光闌；23準直透鏡；24窄帶濾光片；25可變光衰減器；26聚焦透鏡；27光電探測器。

具體實施方式

本發明提供了一種雷射雷達光學接收裝置及雷射雷達測距方法，為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

當進行雷射雷達測距應用時，將雷射發射器發射的雷射束對準進行探測的目標，雷射束探測到有障礙物時進行反射，雷射雷達中的光學接收裝置接收該回波信號並得出回波信號光強度，根據回波距離與回波信號光強度、發射雷射強度和其它相關參數的關係得出障礙物的距離，這樣，即實現了雷射雷達的測距。

通過雷射雷達測距的實施例，對本發明的雷射雷達光學接收裝置的應用進行詳細的說明。

如圖1所示，為本發明的一種雷射雷達光學接收裝置，該裝置包括：依次設置在同一光路上的望遠鏡21、視場光闌22、準直透鏡23、窄帶濾光片24、可變光衰減器25、聚焦透鏡26和光電探測器27。望遠鏡21出射的光信號從左至右依次通過視場光闌22、準直透鏡23、窄帶濾光片24、可變光衰減器25、聚焦透鏡26、光電探測器27。

用於進行雷射探測時接收雷射的回波信號的望遠鏡21，是由兩個凹面反射鏡和一個凸面反射鏡構成的反射望遠鏡，光信號進入該望遠鏡時照射到凹面反射鏡上，經過凹面反射鏡和凸面反射鏡的兩次反射，光信號在望遠鏡的焦點處進行匯聚。

如圖1所示，在望遠鏡21的出射光信號側放置一個視場光闌22，該視場光闌22位於望遠鏡21焦點位置，用於限制光信號的視場範圍。所述視場光闌22的孔徑大小限定了光信號接收視場大小。通過望遠鏡聚焦出射的光信號，在經過視場光闌時，只有在視場光闌孔徑範圍內的光信號才可以通過，而超過視場光闌孔徑邊緣的光信號被阻擋，實際即是阻擋大視角的光信號進入該光學接收裝置。雷射有方向性好的特點，雷射發射後發散角非常小，雷射射出20km光斑直徑只有20-30cm，因此，雷射的回波信號的光斑直徑也很小，在接收該回波信號時只需小的光信號接收視場，通過加入一定孔徑大小的視場光闌來控制光信號接收視場的大小，從而也避免了大量的背景光被接收。

如圖1所示，在視場光闌出光右側放置一個準直透鏡23，視場光闌22位於準直透鏡23的焦點處，通過該準直透鏡23後對光信號準直，即將發散入射光聚集為平行出射光。準直透鏡23即為普通的凸透鏡。

如圖1所示，準直後的光信號入射到窄帶濾光片24上，該窄帶濾光片24對背景光進行帶通濾光。雷射雷達接收的回波信號除了發射雷射波段的回波信號外，還包括外界其它光信號，需去除探測信號波段外的背景光。窄帶濾光片允許特定波段的光信號通過，而偏離這個波段以外的光信號被阻止。因此，可以選擇發射雷射的窄波段範圍的窄帶濾光片，光信號通過該窄帶濾光片後可以僅通過發射雷射的窄波段範圍的光信號，能夠在該光學接收裝置中去除幹擾的背景光。濾光片一般是塑料或玻璃片再加入特殊染料而成。

如圖1所示，在窄帶濾光片24右側放置一個可變光衰減器25。可變光衰減器25通過衰減傳輸光功率實現對光信號的控制，可以由電壓控制光信號的衰減量。光信號通過所述可變光衰減器後光信號為平行出射光。發光功率＝光強*接收光信號的範圍(角度)。在該裝置中可變光衰減器接收光信號的角度範圍是恆定的，因此，可以直接通過衰減傳輸的光強實現對光信號的控制。可變光衰減器(Variable optical attenuator)可為磁光VOA、液晶VOA、高光電係數材料VOA等。

在測距時，如果通過窄帶濾光片24後的光信號的光強度為I0，當可變光衰減器上加電壓V，光信號的光功率衰減為可變光衰減器加入電壓值的函數，出射光信號的光強度是電壓V的函數，該出射光信號的光強度為I′＝I0(V)。

當目標處於近場時，光信號的回波信號光強度很強，可能會造成光電探測器27工作在飽和區或者探測器損失，因此，有必要通過該可變光衰減器25減小光電探測器27接收到的回波信號光強度。當近場測距時，通過窄帶濾光片24後的光信號的光強度為I0近場，可變光衰減器25中加入電壓V後，光信號的光強度為I'近場＝I0近場(V)，且滿足I'近場＜I0近場，可根據需要調節衰變量，即可根據需要加入不同的電壓值。如圖3所示，I0近場表示測距的目標較近時，通過窄帶濾光片24後的光信號的光強度為I0近場，I0近場(V)代表通過衰減器的作用，是電壓的函數；I』的光強度應小於探測器允許的輔入最大光強，大於探測器的閾值光強，才能保證能正常工作。

當目標處於遠場時，光信號的回波信號光強度較弱，不需對光強進行衰減，此時衰減量可調節為0。當遠場測距時，通過窄帶濾光片24後的光信號的光強度為I0遠場，可變光衰減器25的衰減量為0，光信號的光強度為I′遠場＝I0遠場。

距離對回波信號光強度的影響很大，I0遠場＜＜I0近場，如果不增加可變光衰減器25可能會造成光電探測器27失靈，增加可變光衰減器27後，可使得I'遠場、I'近場的值相近，都能落入光電探測器的探測範圍之內。

雷射雷達光學接收裝置的分光比γ與可變光衰減器25上加入的電壓的關係為：

式1中雷射雷達光學接收裝置的分光比γ為可變光衰減器25上加入的電壓V的函數，加入的電壓是連續可調的，因此，分光比也是連續可調的，分光精度明顯提高。

當回波信號經過可變光衰減器25後，通過可對光信號進行聚焦的聚焦透鏡26，將光信號聚焦到光電探測器27上，所述光電探測器27位於聚焦透鏡26的焦點位置。光信號通過所述聚焦透鏡後，光信號由平行入射光聚集為聚焦出射光。該聚焦透鏡即為普通的凸透鏡。

光電探測器27接收聚焦的光信號，並將光信號對應的電信號進行顯示。該光電探測器27用於根據光信號的光強度來輸出對應的電信號，供後續電路使用。光電探測器27位於所述聚焦透鏡26的焦點位置。將電信號轉化為對等的光信號的光強度，根據該探測的光信號的光強度與發射器發射的雷射信號的光強度與目標距離及其他影響光信號的光強度的參數的關係，可以計算出目標到光學接收器間的距離。這些參數包括：雷射束特性、光學系統效率、光信號的衰變量等。

基於上述所述為一種雷射雷達光學接收裝置，提供了一種基於上述實話例所述雷射雷達光學接收裝置的雷射雷達測距方法，本發明實施例還提供了一種雷射雷達測距方法，進一步的進行解釋說明，如圖2所示，為本發明的雷射雷達測距方法的流程圖，該方法包括如下步驟：

S100、雷射雷達發射器向目標發射雷射信號。

雷射雷達測距實際是通過雷射碰到障礙物後進行反射，根據雷射信號的光強度的損失來確定目標的距離。因此，進行測距時，應該將雷射雷達發射器對準目標並發射雷射信號。

S200、在雷射雷達光學接收裝置的可變光衰減器上加入電壓V，確定通過可變光衰減器光信號的衰減量。

如果發射器的發射功率很大，當目標為低空物體時，則導致回波信號很強，光電探測器容易達到飽和甚至造成高靈敏度的探測器的損失。可變光衰減器由電壓控制光信號的衰減量。當光學接收裝置中的可變光衰減器上加入電壓時，可以衰減接收的回波光信號的光功率，使得接收的光功率處於光電探測器的探測範圍內；當目標處於高空物體時，回波光信號的會衰減，此時不用給可變光衰減器上加入電壓，光電探測器接收的回波光信號的光功率是實際的光功率，使得接收的回波光信號的光功率仍然處於光電探測器的探測範圍內。對可變光衰減器上加入的電壓V可以根據探測回波信號的距離進行調節。

S300、用所述雷射雷達光學接收裝置接收雷射回波信號。

雷射雷達光學接收裝置用於接收回波光信號，並通過光學接收裝置中的光學器件對光信號進行優化並輸出。該雷射雷達光學接收裝置的結構，具體如上所述。

S400、根據接收雷射信號的光強度、發射器發射的雷射信號的光強度、目標距離及其他影響雷射信號的光強度的參數，計算出目標到光學接收器間的距離。

目標到光學接收器間的距離的計算不僅與雷射信號的光強度相關，還與雷射束特性、光學系統效率、光信號的衰變量等。距離與這些參數間具有確定的關係，當各個參數確定時，可以計算出位置的目標與光學接收器間的距離。

綜上所述，本發明公開的一種雷射雷達光學接收裝置及雷射雷達測距方法，該裝置具有光路簡單、穩定性好的特徵；且該光學接收裝置採用可變光衰減器控制光信號的衰減量，能自適應近距離和遠距離的探測需求，防止光電探測器工作在飽和區或者探測器損失；可變光衰減器中的電壓值是連續可調的，因此分光比也是連續可調的，分光精度明顯提高。

應當理解的是，本發明的應用不限於上述的舉例，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。