激光测距收发共光路的后向散射规避装置及方法与流程

本发明属于激光测距领域，更具体地讲，涉及一种用于卫星激光测距系统的收发共光路的后向散射规避装置。

背景技术：

人造卫星广泛的应用在通信、科学勘测与实验、军事防务、气象等领域，全球定位系统gps以及我国的北斗定位系统已经在人们的社会活动、生活中广泛应用，深远的改变了人们的生活方式，促进人类的发展。同时，人类在探索太空的过程中，越来越多的人造卫星、深空探测器发射至太空。在高辐射、真空、无重力的恶劣太空环境中，这些人类制造的飞行器，往往具有位置的偏移、损伤等风险，由此逐渐失去其功能。卫星激光测距(slr)由其测距远，测距精度高等优点，使其成为卫星高精度定轨的一种常规手段，受到各个国家的重视。

卫星激光测距系统中，由于单光子探测器能够实现对单个光子的响应，灵敏度高，很适合弱光信号的接收，通常将其作为激光回波的接收器，实现远距离卫星反射激光回波的探测。但单光子探测器是由外部触发控制的，即外部在某个时间给其一个触发信号，然后其就工作，当其探测到一个光子的时候，其就停止工作，后续光子将探测不到，而激光在大气传输过程中，受大气后向散射的影响，散射回来的光将经望远镜系统至单光子探测器，容易对卫星反射回来的激光回波造成干扰，导致后续的激光回波入射至探测器上时，探测器已经停止工作了，探测概率大大减弱，增大了卫星反射激光回波的探测难度；同时，当后向散射返回的光子数达到一定值时，容易造成单光子探测器的损坏，这样为了避免单光子探测器的损坏，发射激光的强度以及有效测量卫星的天气时间就受到了限制。

吴志波、邓华荣、张海峰、汤凯、张忠萍于2017年《红外与激光工程》46卷第2期第1-6页上发表的《高重复率卫星激光测距中后向散射干扰及规避》，采用距离门控的方法，由激光回波比大气后向散色光从卫星上回来的时间需要更长，这样在激光回波未返回之前，探测器不工作，大气后向散色光入射至探测器上，就不能被探测器探测，而在预期的接收激光回波的时刻附近，探测器工作，保证单光子探测器在卫星反射激光回波时间内接收激光，刚好实现对激光回波的探测。这样在探测器工作与激光发射之间有个时间延时，这种工作模式类似于一个门控开关，即距离门控。然而，如果只采用距离门控法只能实现后向散射规避，无法在发射与接收光路使用同一个望远镜的情况下实现发射与接收光路的切换，没有实现收发共望远镜光路的作用；并且在探测器不工作时，后向散射光依然入射至探测器上，在后向散射光较强的情况下，很容易造成探测器的损坏，特别是对远距离卫星需要更大能量的激光发射，此时过强的后向散射光对探测器损坏尤其大，即探测器得不到有效的保护，从而限制了卫星激光测距系统的距离测量。

为充分的利用望远镜系统，减少卫星激光测距系统的体积与成本，激光发射与激光回波需要通过同一个望远镜系统实现共光路传输。johnj.degnan在网站https://www.researchgate.net/publication/317015033_slr_workshop_2002_paper上发表的《slr2000:progressandfutureapplications》一文中，记载了美国nasa在其卫星激光自动测距系统slr2000中采用了法拉第旋转器的方法实现了将发射激光与激光回波共光路，达到了卫星激光测距收发共望远镜光路。法拉第旋转器其结构简单，利用的是某些晶体的磁光效应，即磁光晶体置于一定的磁场中，光通过该晶体时，光的偏振态发生变化，这样可以将在同一望远镜中进行传递的发射激光光路与激光回波光路分开，光偏振态的变化决定光是透过偏振片还是经偏振片反射。但法拉第旋转器磁场一般采用永磁体，对光旋转的改变不能实现在时间上的控制，即同光路的不同时间的后向散射光与激光回波光不能在时间上进行分离，这样后向散射光与激光回波均会入射至探测器上，无法实现对后向散射光的规避。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种激光测距收发共光路的后向散射规避装置，利用望远镜系统在实现收发共光路的同时实现后向散射规避。

本发明采用技术方案如下：

一种激光测距收发共光路的后向散射规避装置，包括光学组件，其特征在于，激光沿光路自发射端经所述光学组件进入望远镜系统，并经该望远镜系统发射至一待测物体，该待测物体反射激光回波，或发生后向散射，分别形成第一光轴和第二光轴，所述光学组件均沿该两光轴依次排布，从发射端沿第一光轴依次排布有二分之一波片、第一偏振片、第一电光开关和第二偏振片，沿激光回波或后向散射的光路走向在第二光轴上依次排布有全反镜、第二电光开关和第三偏振片。

由此，本发明采用电光开关对光路实现切换控制，以有效地将后向散射光与激光回波分开，避免卫星激光测距中经大气散射的激光返回至单光子探测器，解决了后向散射规避的问题；本发明还采用偏振片将激光回波分为两束偏振态不同的光，光电开关的工作和偏振片的使用保证发射激光与激光回波在同一光路对应的偏振态不同，避免激光回波沿激光发射光路返回至激光器中，从而使激光发射与激光回波能够在同一望远镜中进行传递，即共用一台望远镜；另外，三个偏振片和全反镜的组合使用使得卫星激光测距中激光回波中经大气传输引起的退偏光能够与非退偏光一同被测量，保证激光回波中退偏光与非退偏光在第三偏振片完成重合，共同入射至单光子探测器中；此外，二分之一波片的使用实现了各种偏振态(s光或p光)的入射激光的导入，使得激光都能通过该装置发射。

优选地，所述第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片及所述全反镜彼此平行设置。

优选地，第二偏振片经第一偏振片反射至第三偏振片的光程与第二偏振片经全反镜反射至第三偏振片的光程相等，使得激光回波的第一偏振方向的光和第二偏振方向的光入射到单电子探测器上的时间一致。

优选地，所述第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片及所述全反镜与所述二分之一波片的夹角等于偏振片偏光轴的角度。

优选地，所述偏振片偏光轴的角度为布儒斯特角。

优选地，所述第一电光开关和第二电光开关分别包括中心的电光晶体和外环的环形磁铁，所述电光晶体两端在工作时加载高压脉宽，所述高压脉宽的高压大小为对应激光波长和电光晶体的半波电压。由此，本发明通过采用带有电光晶体的电光开关而不是工作效果相同的法拉第旋转器，使得电光开关能够在时间上对光的偏振态的改变与控制，能够有效的将后向散射光与激光回波分开，降低了后向散射光对卫星激光回波的干扰，避免了单光子探测器的损伤。

优选地，所述高压采用一个高压与时延控制器控制，所述高压与时延控制器设置为被提供一个高压驱动信号，通过一个高压驱动信号产生所述高压，并通过延时控制，使得所述高压作用的起始时刻等于第一电光开关和第二电光开关工作的起始时刻；所述高压驱动信号包括重复频率与加压时长，所述重复频率等于或高于千赫兹。

优选地，所述高压脉宽的作用时间的范围从几个纳秒至几十纳秒，作用时间的精度为纳秒级。纳秒级的高压脉宽，避免了绝大部分的后向散射光入射至单光子探测器上。

优选地，所述第一电光开关和第二电光开关的电光晶体两端面均镀有与激光波段一致的增透膜；所述二分之一波片两表面，所述第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片两表面均镀有与激光波段一致的增透膜；所述全反镜为45°全反镜，在入射角为布儒斯特角时具有极高的反射率，且镀有与激光波段一致的增反膜。

优选地，所述激光测距收发共光路的后向散射规避装置还包括箱体，所述光学组件均位于所述箱体内，所述箱体上设有激光发射口、激光回波口和望远镜端口；所述激光发射口和激光回波口分别与二分之一波片和第三偏振片对齐；望远镜端口与第二偏振片对齐。

本发明还提供一种激光测距收发共光路的后向散射规避方法，包括：步骤s1：将一激光脉冲发射至权利要求1所述装置的发射端，并保持其第一电光开关和第二电光开关不工作，使该激光透过二分之一波片转换为第一偏振方向的光并沿第一光轴依次透射穿过第一偏振片、第一电光开关和第二偏振片，进入望远镜系统，并经该望远镜系统发射至一待测物体，该待测物体反射激光回波，同时激光脉冲发生大气后向散射；步骤s2：在激光脉冲发射完毕后到预期的激光回波时刻前，保持所述第一电光开关和第二电光开关不工作，使得后向散射光经所述望远镜系统返回所述激光测距收发共光路的后向散射规避装置，该返回入射光的第一偏振方向的部分沿第一光轴依次透过所述第二偏振片、第一电光开关、第一偏振片直至激光发射端，而与第一偏振方向垂直的第二偏振方向的部分则经所述第二偏振片、全反镜连续反射，然后透射穿过第二电光开关，随后经第三偏振片反射而偏离第二光轴；步骤s3：在预期的激光回波入射时刻附近，开启所述第一电光开关和第二电光开关，使得激光回波经所述望远镜系统返回所述激光测距收发共光路的后向散射规避装置，该返回入射光的第一偏振方向的部分，透过所述第二偏振片，再透过工作的第一电光开关转换为第二偏振方向的光，随后经第一偏振片与第三偏振片连续反射，最终沿第二光轴入射至一单光子探测器，该返回入射光的第二偏振方向的部分则依次经所述第二偏振片和全反镜反射，随后沿第二光轴ii传播，经第二电光开关转换为第一偏振方向的光，最终透过第三偏振片入射至所述探测器；步骤s4：在步骤s3所述探测器完成所述激光回波的测量后，关闭第一电光开关和第二电光开关，使得返回的入射光重复步骤s2所述的光路传播。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明的一个优选实施例的一种激光测距收发共光路的后向散射规避装置的结构示意图；

图2是如图1所示的激光测距收发共光路的后向散射规避装置的后向散射光光路图，其中电光开关不工作；

图3是如图1所示的激光测距收发共光路的后向散射规避装置的激光回波光路图，其中电光开关工作。

图4是如图1所示的激光测距收发共光路的后向散射规避装置的电光开关的结构原理图；

图5是如图1所示的激光测距收发共光路的后向散射规避装置的电光开关状态的时序图；

图6是如图1所示的激光测距收发共光路的后向散射规避装置的箱体的一个侧板的示意图；

图7是如图6所示的箱体的另一个侧板的示意图。.

图中：

10-箱体，91-发射激光口，92-激光回波口；93-望远镜端口；20-光学组件；1-二分之一波片；2-第一偏振片；3-第一电光开关；4-第二偏振片；5-45°全反镜；6-高压与延时控制器；7-第二电光开关；8-第三偏振片。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

如图1所示为根据本发明的一个实施例的一种激光测距收发共光路的后向散射规避装置，包括箱体10以及位于该箱体10内的光学组件20。激光沿光路穿过该箱体10内的各光学组件，并分别形成第一光轴i和第二光轴ii。所述光学组件20均沿该两条光轴设置。其中，在第一光轴i上从发射端依次排布有二分之一波片1、第一偏振片2、第一电光开关3和第二偏振片4；而在第二光轴ii上则沿光路的走向依次排布有45°全反镜5、第二电光开关7和第三偏振片8。第一偏振片2、第二偏振片4和第三偏振片8均设置为对s偏振光全透射，对p偏振光全反射。s或p偏振的激光透过所述二分之一波片1转换为s偏振光，沿第一光轴依次透射穿过所述第一偏振片2、第一电光开关3和第二偏振片4，随后离开所述箱体10并入射至望远镜系统，最终经该望远镜系统沿望远镜光路发射出去。发射出去的激光在大气中传输发生后向散射，后向散射光返回至望远镜系统中，或被待测卫星反射，经卫星反射返回至望远镜系统。后向散射光和激光回波均经由望远镜系统沿同一个望远镜光路原路返回至箱体10中，并入射到二偏振片4上。

再请参阅图2，为后向散射光在箱体10内的光路图，其中第一电光开关3和第二电光开关7均不工作。后向散射光的s偏振光沿第一光轴i依次透过第二偏振片4、第一电光开关3和第一偏振片2返回至激光发射端；后向散射光的p偏振光经第二偏振片4、45°全反镜5连续反射，透射穿过第二电光开关7，随后经第三偏振片8反射，偏离所述第二光轴ii至箱体10。

再请参阅图3，为激光回波在箱体10内的光路图，其中第一电光开关3和第二电光开关7均工作。激光回波的s偏振光透过第二偏振片4再透过工作的第一电光开关3转换为p偏振光，随后经第一偏振片2与第三偏振片8连续反射，最终沿第二光轴ii入射至一设于箱体10外的单光子探测器上；激光回波的p偏振光依次经第二偏振片4和45°全反镜5反射，随后沿第二光轴ii传播，经第二电光开关7转换为s偏振光，最终透过第三偏振片8入射至该探测器上。

由此，本发明提供的激光测距收发共光路的后向散射规避装置采用偏振片将激光回波分为两束偏振态不同的光，光电开关3、7的工作和偏振片的使用保证发射激光与激光回波在同一光路对应的偏振态不同，避免激光回波沿激光发射光路返回至激光器中，从而使激光发射与激光回波能够在同一望远镜中进行传递，即共用一台望远镜。此外，三个偏振片和全反镜的组合使用卫星激光测距中激光回波中经大气传输引起的退偏光(s光)能够与非退偏光(p光)一同被测量，保证激光回波中退偏光与非退偏光在第三偏振片8完成重合，共同入射至单光子探测器中；二分之一波片的使用实现了各种偏振态(s光或p光)的入射激光的导入，使得激光都能通过该装置发射。

第一电光开关3和第二电光开关7设置为在工作时将光的偏振方向旋转90°，其具体结构原理如图4所示，包括中心的电光晶体31、71和外环的环形磁铁32、72。所述第一电光开关3与第二电光开关7的电光晶体31、71一样，其两端在工作时加载高压脉宽来进行控制，所述高压大小为对应激光波长和电光晶体31、71的半波电压。由此，光通过该晶体时，光的偏振态发生变化，光偏振态的变化决定光是透过偏振片还是经偏振片反射。优选地，二个电光开关3、7的电光晶体31、71两端面均镀有与激光波段一致的增透膜。本发明系统采用电光开关3、7代替法拉第旋转器，从而方便进行时间上的控制。

所述第一电光开关3与第二电光开关7的电光晶体31、71两端的高压脉宽一般采用高压电子电路控制，以使时间控制方便。优选地，该第一电光开关3与第二电光开关7的电光晶体31、71两端均与一个高压与时延控制器6电连接(如图1)，该高压与时延控制器6设置为被提供一个高压驱动信号，通过一个高压驱动信号产生高压及高压的加压时长，即高压脉宽，并通过延时控制，使得高压脉宽作用的起始时刻等于第一电光开关3和第二电光开关7工作的起始时刻，以在脉宽作用的时间范围内使电光开关3、7工作。其中，该高压驱动信号包括加压次数(1秒钟加压多少次，即重复频率)与加压时长，其重复频率可达千赫兹，甚至更高；该高压脉宽的作用时间为几个纳秒至几十纳秒，甚至更高，作用时间的精度可达亚纳秒。

再请参见图5，在激光脉冲发射后，后向散射光将比卫星反射激光脉冲回波先经由望远镜系统返回，结合上文所述，二个电光开关3、7设置为在高压与时延控制器6的控制下仅仅在预期的光学组件20接收卫星反射激光脉冲回波时刻附近的高压脉宽作用的时间范围内同时进行工作。由此，大气后向散射光与卫星反射激光回波的光路在同一望远镜目镜端在不同时刻被分成两路，实现大气后向散射光与卫星反射激光回波的光路的隔离，避免了大气后向散射光对卫星反射激光回波的影响，从而解决了后向散射规避的问题。

再请参阅图1，在本实施例中，第一偏振片2、第二偏振片4、第三偏振片8设置为均对p偏振光全透过；此外，二分之一波片1也可以设置为将光转换为s偏振光，第一偏振片2、第二偏振片4、第三偏振片8设置为对s偏振光全透过。优选地，第一偏振片2、第二偏振片4、第三偏振片8及所述的45°全反镜5彼此平行设置，且它们与二分之一波片1的夹角与第一偏振片2的偏振片特性有关，等于偏振片偏光轴的角度。由此，激光可在在二分之一波片1上正对垂直入射的同时，以偏振片偏光轴的角度入射到第一偏振片2、第一偏振片2、第二偏振片4、第三偏振片8上。例如，若偏振片为布儒斯特角(角度约56°)，那么激光在第一偏振片2上的入射角为布儒斯特角；若偏振片为45°角，那么激光在第一偏振片2上的入射角为45°角。在本实施例中偏振片偏光轴的角度优选为布儒斯特角，第一偏振片2、第二偏振片4、第三偏振片8及所述的45°全反镜5与二分之一波片1的夹角为布儒斯特角，从而使激光以布儒斯特角入射到45°全反镜5上，方便后续的调节。45°全反镜5在布儒斯特角入射下，具有极高的反射率。第二偏振片4经第一偏振片2反射至第三偏振片8的光程与第二偏振片经45°全反镜5反射至第三偏振片8的光程相等，使得激光回波的s偏振光和p偏振光入射到单电子探测器上的时间一致。二分之一波片1两表面，三个偏振片2、4、8两表面均镀有与激光波段一致的增透膜，45°全反镜5镀有与激光波段一致的增反膜。

再请结合图1、6、7，所述光学组件20均位于箱体10内，该箱体10的侧板上分别设有激光发射口91、激光回波口92和望远镜端口93。如图2所示，激光发射口91和激光回波口92位于箱体10的一个侧板上，分别与二分之一波片1和第三偏振片8对齐。如图7所示，望远镜端口93位于箱体10的另一个侧板上，与第二偏振片4对齐。由此，激光发射口91使激光能够通过激光发射口91入射到二分之一波片1上，激光回波口92使激光回波能够通过该激光回波口92入射到单电子探测器上，望远镜端口93使得激光能够通过该望远镜端口93被发射和接收。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。