一种基于光纤阵列的多光谱探测波长转换系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于条纹管激光雷达3D多光谱探测的波长转换系统，尤其涉及一种基于光纤阵列的多光谱探测的波长转换系统，属于光电成像领域。包括接收光学系统、分光光栅、空间光调制器、光纤阵列、微透镜阵列、光电二极管APD阵列、互阻放大器阵列、差分接收放大器阵列、垂直腔面激光器阵列、计算机。其中，通过引入空间光调制器和光纤阵列，解决制作大面阵探测器的难题，减小光电探测器各通道接受回波脉冲的串扰影响。本发明将不同波长的回波信号转换为条纹管阴极材料可响应的一种峰值波长信号，解决了条纹管激光雷达多光谱探测的多波长转换问题，可广泛应用于多光谱三维探测成像技术中。
【专利说明】一种基于光纤阵列的多光谱探测波长转换系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于条纹管激光雷达3D多光谱探测的波长转换系统，尤其涉及一种基于光纤阵列的多光谱探测的波长转换系统，属于光电成像领域。
【背景技术】
[0002]基于条纹管的主动多光谱成像系统，将三维成像与多光谱结合，利用目标的三维信息和多光谱信息同时进行探测，可以进一步提高目标探测的准确性。由于条纹管的光电阴极只能对某一个范围的光波长进行响应，在进行主动多光谱探测时，需要设计波长转换装置。目前，波长转换技术可以分为两大类，全光波长转换(AOWC)和光电光型(0/E/0)波长转换。全光波长转换不经过光电处理，利用某些介质的非线性光学效应，直接在光域内将输入的某一波长的光信号转换到新波长上。但是，非线性光学效应技术需要复杂的光学装置，而且转换效率依赖于入射光的光强，不适合用于激光雷达接收端。光电光型波长转换不改变波长的物理性质，通过光电效应可直接实现波长转换，且具有转换效率高、响应速度快、频率转换范围大、便于集成等优点，有着较好的应用前景。
[0003]高像元数的光电探测器阵列作为光电光型波长转换系统的核心器件，但目前普遍使用的APD探测器阵列很难保证较大的像元数。利用光纤的柔韧性，通过在阵列尾纤连接分立的单点光电探测器制作高像素数的光纤阵列，这样的设计既保证了较大的像元数，又解决了制作大型光电探测器阵列的难题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决多光谱探测中波长转换问题及制作大面阵探测器的问题，提出了一种基于光纤阵列的多光谱探测波长转换系统。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0006]一种基于光纤阵列的多光谱探测波长转换系统，其包括接收光学系统、分光光栅、空间光调制器、光纤阵列、微透镜阵列、光电二极管APD阵列、互阻抗放大器阵列、差分接收放大器阵列、垂直腔面激光器阵列、计算机构成。
[0007]所述的空间光调制器放置于所述的光纤阵列前端，用于控制光纤阵列的受光区域，来确保光电探测器接收回波脉冲激光束时无串扰影响。
[0008]所述的计算机可通过编程对空间光调制器实现自动化控制。
[0009]所述的光纤阵列为16*16阵列，由256根多模光纤构成。光纤阵列前端为方阵阵列，后端16束光纤束分别连接分立的光电二极管APD。
[0010]所述的光电二极管APD阵列的波长响应峰值分别为X1= 1064nm，λ 2= 532nm，λ 3= 355nm。
[0011]所述的互阻放大器阵列将光电二极管APD的输出电流转换为差分输出电压，对信号进行一级放大，放大倍数为90倍。
[0012]所述的差分接收放大器阵列将一级差分输出电压进行二级放大，放大倍数为5倍。
[0013]所述的垂直腔面激光器是一种出射光束方向与半导体外延表面垂直的激光器，该发射的激光波长与条纹管光电阴极响应的峰值波长一致。
[0014]所述的条纹管光电阴极响应的峰值波长为650nm。
[0015]工作过程为:经目标反射后的回波信号混合多波长激光束经接收光学系统接收并会聚至分光光栅，分光光栅将接收到的混合多波长光束分光后形成不同波长的回波激光束。不同波长的回波激光束分别会聚至16*16光纤阵列前端面。放置在光纤阵列前端的空间光调制器由计算机控制，以实现对光纤阵列4*4的区域控制。这样保证每次只有一个区域有光信号输入，后端的16个光电二极管APD连接的光纤中只有一根光纤有光，从而只接收到一个区域的信号。16束光纤束输出的光脉冲信号分别由微透镜阵列接收并聚焦至光电二极管APD，光电二极管APD通过光电转换，将接收到的光脉冲信号放大为与入射光强相对应的电流信号。互阻抗放大器实现电流-电压转换，输出一定幅度电压，互阻抗模式能有效降低放大器噪声，提高动态范围。差分接收放大器将互阻抗放大器的输出信号进一步放大，以达到满足驱动垂直腔面激光器的条件，最终实现波长转换。
[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果
[0017]采用本发明的基于光纤阵列的多光谱探测的波长转换系统，一方面，可通过简单的光电变换方式将含有目标信息的多波长激光转换为条纹管光电阴极响应的峰值波长激光；另一方面，通过引入空间调制器和光纤阵列的使用，在实现了成像探测的同时，解决了制作大面阵探测器阵列的难题，还减少了光电探测器的数量。本发明可以广泛应用于多光谱探测成像技术中。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为实施例中16*16光纤阵列结构图；
[0019]图2为实施例中基于光纤阵列的多光谱探测波长转换系统示意图；
其中，1-接收光学系统，2-分光光栅，3-空间光调制器，4-光纤阵列，5-微透镜阵列，6-光电二极管APD阵列，7-互阻抗放大器阵列，8-差分接收放大器阵列，9-垂直腔面激光器阵列，10-计算机。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明进一步说明
[0021]实施例
[0022]一种基于光纤阵列的多光谱探测波长转换系统，如图2所示，包括接收光学系统I，分光光栅2，空间光调制器3，光纤阵列4，微透镜阵列5，光电二极管APD阵列6，互阻放大器阵列7，差分接收放大器阵列8，垂直腔面激光器阵列9，计算机10构成。
[0023]所述的计算机通过编程，更换灰度图像以控制空间光调制器面板像素单元对应的振幅。所述的空间光调制器为向列液晶振幅空间光调制器，对光纤阵列实现4*4区域控制。首先是区域(I，I)有光信号透过，其他区域不透光；其次是区域(I，II)有光信号透过，其他区域不透光……同理，一直到区域(IV，IV) ο
[0024]所述的光纤阵列为16*16方阵阵列，方阵阵列较容易确定光纤位置。共分成16个区域，每一个区域的第一根光纤在后端扎成一束，作为第一束光纤；每一个区域第二根光纤在后端扎成一束，作为第二束光纤……同理，一直到第16束光纤。每束光纤束由16根多模光纤组成，多模光纤较单模光纤有更大的数值孔径，可以提高接收光功率。其中，单根光纤的芯核直径为50um，包层直径为125um，光纤阵列的光纤间隔为127um或250um。
[0025]所述的光电二极管APD阵列共由16个AH)组成，由微透镜阵列分别将光纤阵列后端16束光纤束出射光信号聚焦至光电二极管APD阵列，光电二极管APD阵列将光信号转换为与输出光强度对应的电流信号。
[0026]所述的垂直腔面激光器阵列的发射波长为650nm，与条纹管光电阴极响应的峰值波长一致。
[0027]工作过程
[0028]接收光学系统I将带有目标信息的混合多波长λ2、λ3光束会聚至分光光栅2 ;分光光栅2将混合多波长分光成λ2、入3的激光束；波长为λ Ρ λ2、λ 3的激光束分别会聚至16*16光纤阵列4前端面。放置在光纤阵列4前端的空间光调制器3由计算机控制，以实现对光纤阵列4的4*4的区域控制。由计算机10控制的空间光调制器3对光纤阵列4进行区域控制，使得单波长激光束信号按区域依次通过，保证光纤阵列后端16束光纤束，每束光纤束每次只有一根光纤有光。16束光纤束输出的光信号分别由微透镜阵列5接收，并会聚至光电二极管APD阵列6，光电二极管APD阵列6将光信号转换为与光强度相对应的电流信号。互阻抗放大器阵列7将电流信号转换成放大的差分电压信号，对信号实现一级放大；差分接收放大器阵列8对一级放大的差分电压信号进行二次放大，以达到驱动垂直腔面激光器阵列9的条件；垂直腔面激光器阵列9出射波长为650nm光信号，实现波长转换。
[0029]工作原理
[0030]由空间光调制器3对光纤阵列4实现4*4区域控制，保证光纤阵列的16个区域中每次只有一个区域有光信号输入，这样就可以使光纤阵列后端的16束光纤束，每束光纤束每次只有一根光纤有光，16个APD每次接收一个区域的光信号，减少了探测器之间的串扰。
[0031]空间光调制器主要是基于透射或反射类型的液晶微显示技术，通过液晶分子的旋光偏振性和双折射性来实现入射光束的波面振幅和相位的调制。计算机通过灰度图像控制空间光调制器面板像素单元对应的振幅，以达到对光纤阵列区域的控制。
[0032]跨阻抗放大器阵列7的转换形式为跨阻抗模式，可以有效的降低放大器噪声，提高共模抑制比。
[0033]波长分别为入工、入2、入3的回波信号经光电二极管APD阵列6光电转换后，输出为与入射光强度成比例的电流信号i1、i2、i3。互阻抗放大器阵列7将电流信号、、“、“转换为差分电压信号土Up ±U2、±U3。高带宽的差分接收放大器阵列8将差分输入的iUp土U2、±U3进行二级放大，并转换为单端输出Ua、Ub、U。。单端输出信号Ua、Ub、U。分别驱动垂直腔面激光器阵列9，使之发射波长为650nm的激光。
【权利要求】
1.一种基于光纤阵列的多光谱探测波长转换系统，包括接收光学系统(I)、分光光栅(2)、空间光调制器(3)、光纤阵列(4)、微透镜阵列(5)、光电二极管AH)阵列(6)、互阻抗放大器阵列(7)、差分接收放大器阵列(8)、垂直腔面激光器阵列(9)、计算机(10)，其特征在于: 所述分光光栅(2)采用衍射光栅，将混合多波长激光束分成三种波长激光:分别为1064nm，532nm，355nm ； 所述空间光调制器⑶放置于所述的光纤阵列⑷前端，用于控制光纤阵列⑷的受光区域，来确保光电探测器接收回波脉冲激光束时无串扰影响； 所述光纤阵列(4)为16*16阵列，由256根多模光纤构成； 所述光电二极管APD阵列(6)，的波长响应峰值分别为X1= 1064nm，λ 2= 532nm，λ 3=355nm ； 所述互阻放大器阵列(7)将光电二极管APD阵列(6)的输出电流转换为差分输出电压，对信号进行一级放大，放大倍数为90倍； 所述差分接收放大器阵列(8)将一级差分输出电压进行二级放大，放大倍数为5倍；所述垂直腔面激光器(9)的出射光束方向与半导体外延表面垂直，该激光器发射的激光波长与条纹管光电阴极响应的峰值波长一致。
【文档编号】G01S7/48GK104459670SQ201410730423
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月4日 优先权日:2014年12月4日
【发明者】韩绍坤, 康艳艳, 夏文泽 申请人:北京理工大学