一种主被动探测结合的远红外激光雷达装置及测量方法与流程

[0001]
本发明属于激光雷达技术领域，更具体地，涉及一种主被动探测结合的远红外激光雷达装置及测量方法。


背景技术：

[0002]
光电探测的方法可分为主动成像与被动探测两种方式。主动成像是指雷达系统本身提供光源进行照明，使雷达系统无需依赖太阳角即可全天候工作。主动成像的探测方法探测距离更远、分辨率更高、可对所扫描的物体实时进行3d建模成像。目前，市面上的激光雷达仅以主动成像技术作为其光电探测的手段，且激光探测波段多为905nm及1550nm。这使得目前的激光雷达在雨雪雾霾等恶劣天气下、以及夜间环境中难以有效识别目标。
[0003]
被动探测技术则主要探测目标的红外热辐射信号，系统本身不发射信号，以此实现对目标的探测和识别。在夜间等环境中，被动探测技术的识别准确率更高。但在这种成像方式下，待测物体的辐射亮度会受到周围环境温度和发射率的影响，使得到的红外热成像图像具有分辨率低、噪声大、清晰度低的问题。
[0004]
中国专利cn109100743a，公开日为2018.12.28，公开了一种主被动复合激光全息雷达，实现了主动探测和被动探测的结合，但是其结构复杂，扫描精度较低、测量速度较慢。


技术实现要素：

[0005]
本发明为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种主被动探测结合的远红外激光雷达装置及测量方法，简化了装置的结构，有效提高了探测精度和测量速度。
[0006]
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种主被动探测结合的远红外激光雷达装置，包括激光器、电光调制器、任意函数发生器、硫系芯片、分束器、光放大器、微光学衍射元件、本振延迟器、光电探测器、相干接收机、控制计算机、图像处理装置以及光纤链路；所述的激光器的输出端口与电光调制器的光源输入端口连接，所述的任意函数发生器的波形输出端口与电光调制器的微波信号输入端口连接，电光调制器的信号输出端口与硫系芯片的输入端口连接，使探测光进一步被调制放大；所述的硫系芯片的输出端口与分束器连接，分束器的主光束输出端与光放大器的输入端连接，光信号被放大后，输入到微光衍射元件中；分光束的本振光束的输出端与本振延迟器连接；本振延迟器的输出端、以及光电探测器的输出端均与相干接收机的输入端连接，相干接收机的输出端与控制计算机连接，控制计算机与图像处理装置连接，外界信号返回后由光电探测器接收，并与本振光束一同传输至相干接收机中，经由控制计算机和图像处理装置共同进行数据处理。
[0007]
激光器发射泵浦光进入电光调制器，同时任意函数发生器产生特定波形进入电光调制器对泵浦光进行频率调制。调制光通过硫系芯片，在硫系芯片中进行调制放大后进入分束器，由分束器将其分为主光束和本振光束。主光束由微光学衍射元件将其衍射到空间各处，以此向目标投射照明光斑。回波光束由光电探测器接收。本振光经本振延迟器后，与回波光束共同进入相干接收机，并由控制计算机和图像处理装置进行信号处理，以此实现
对物体的主动探测。同时，光电探测器可探测目标的红外热辐射信号并进行处理，实现对物体的被动探测。本发明利用碲镉汞材料光电探测器实现对远红外光信号及热辐射信号的同时探测，以同时获得包括距离、强度、角度等多种信息在内的图像，有效提高了雷达在不同环境中的目标识别能力。
[0008]
在其中一个实施例中，还包括热电冷却器，所述的热电冷却器与光电探测器连接。通过热电冷却器对光电探测器进行实时降温，使之保持在安全温度下进行工作。
[0009]
在其中一个实施例中，所述的硫系芯片包括衬底、硫系微环谐振腔以及直波导，所述的硫系微环谐振腔和直波导均设于衬底的顶部，硫系微环谐振腔与总线直波导相互耦合。在本发明中主要利用硫系芯片的克尔耗散效应，将单频的三角波调频连续波的频率啁啾特性无失真的传导给所产生的每一根梳齿上，在色散、非线性、腔体泵浦和损耗双重平衡的条件下，时域上连续波激光被转换为稳定的光脉冲序列，从而产生稳定的中远红外波段孤子频梳，使单束激光变为并行多通道光源。
[0010]
在其中一个实施例中，所述的硫系微环谐振腔的微环半径值为50um～200um，微环厚度为0.7um～1um，微环的宽度为1.9um～2.5um，腔自由光谱fsr为130ghz～520ghz。
[0011]
在其中一个实施例中，所述的硫系芯片能够将连续波激光转换为光脉冲序列，产生稳定的中远红外孤子频梳，使单束激光变为并行多通道光源。
[0012]
在其中一个实施例中，所述的激光器输出的激光为窄线宽光源，处于中远红外波段，中心波长为8um～11um。相比于传统905nm和1550nm的激光光源，其在雨雾等天气下激光透射率提高1倍以上。
[0013]
在其中一个实施例中，所述的任意函数发生器产生的波形为三角波的线性调频信号，带宽为1ghz-5ghz，调制速率为100khz-10mhz。
[0014]
在其中一个实施例中，所述的微光学衍射元件每毫米有50～100条刻痕，对光源可进行分光衍射。
[0015]
在其中一个实施例中，所述的光电探测器为由碲镉汞材料制成的雪崩光电二极管。当对其施加不同工作电压时，可切换至不同工作模式。当对其施加正向偏压时，可接收主动激光雷达所发射的人眼安全的激光信号；当对其施加反向偏压时，可切换至红外焦平面探测模式，用以探测远红外信号。
[0016]
本发明还提供一种主被动探测结合的远红外激光雷达测量方法，使用以上所述的主被动探测结合的远红外激光雷达装置，包括以下步骤：
[0017]
在主动成像模式下：
[0018]
激光雷达对光电探测器施加正向偏压；激光器发射远红外泵浦激光进入电光调制器，任意函数发生器产生特点波形进入电光调制器，对泵浦光进行频率调制；
[0019]
调制后的泵浦光进入硫系芯片，利用硫系芯片的克尔耗散效应，将单频的三角波调频连续波的频率啁啾特性无失真的传导给所产生的每一根梳齿上，在色散、非线性、腔体泵浦和损耗双重平衡的条件下，时域上连续波激光被转换为稳定的光脉冲序列，从而产生稳定的中远红外波段孤子频梳，使单束激光变为并行多通道光源；
[0020]
经硫系芯片调制后的激光经分束器分为主发射光束与本振光束，主发射光束经光放大器放大后，进入微光学衍射元件，通过微光学衍射元件将调制光衍射到空间各处，实现对物体的探测；本振光束进入本振延迟器进行进一步处理；
[0021]
主发射光束探测到物体后发生反射，回波信号再次进入激光雷达，并被光电探测器接收，信号与分束器所得的本振光束一同进行相干探测，经相干接收机进行成像；
[0022]
相干接收机成像后的信号，进一步通过控制计算机和图像处理模块进行分析处理；
[0023]
在被动成像模式下：
[0024]
激光雷达对光电探测器施加反向偏压；外界物体所发射的热辐射信号被激光雷达的光电探测器接收；
[0025]
光电探测器将信号传输至相干接收机进行成像，相干接收机成像后的信号，进一步通过控制计算机和图像处理模块进行分析处理。
[0026]
与现有技术相比，有益效果是：
[0027]
1.本发明提供的主被动探测结合的远红外激光雷达装置，同时具有被动红外热成像功能和主动光学相干探测成像功能，对远近距离的探测目标均能较好的进行探测识别；
[0028]
2.本发明采用远红外激光作为主动激光雷达模式下的探测光，可更好的穿透雨雪雾霾等环境，从而抵抗恶劣天气，抗干扰能力更强；
[0029]
3.本发明对发射激光进行频率调制，回波信号经相干接收机处理后，可在图像处理电路中分析出探测目标的距离、方位、相对移动速度等信息，探测能力更强。
[0030]
4.本发明可全天候工作，能够满足不同环境条件与探测目标距离的成像；
[0031]
5.本发明利用微光学衍射元件，可更好的将光发射至空间各点，可解决现有车载激光雷达装置扫描精度低、测量速度慢的缺点，提高雷达响应度。
附图说明
[0032]
图1是本发明远红外激光雷达装置连接关系示意图。
[0033]
图2是本发明硫系芯片俯视示意图。
[0034]
图3是本发明硫系芯片制备流程示意图。
具体实施方式
[0035]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
[0036]
如图1所示，一种主被动探测结合的远红外激光雷达装置，包括激光器1、电光调制器2、任意函数发生器3、硫系芯片4、分束器5、光放大器6、微光学衍射元件7、本振延迟器8、光电探测器9、相干接收机10、控制计算机11、图像处理装置12以及光纤链路；激光器1的输出端口与电光调制器2的光源输入端口连接，任意函数发生器3的波形输出端口与电光调制器2的微波信号输入端口连接，电光调制器2的信号输出端口与硫系芯片4的输入端口连接，使探测光进一步被调制放大；硫系芯片4的输出端口与分束器5连接，分束器5的主光束输出端与光放大器6的输入端连接，光信号被放大后，输入到微光衍射元件中；分光束的本振光束的输出端与本振延迟器8连接；本振延迟器8的输出端、以及光电探测器9的输出端均与相干接收机10的输入端连接，相干接收机10的输出端与控制计算机11连接，控制计算机11与
图像处理装置12连接，外界信号返回后由光电探测器9接收，并与本振光束一同传输至相干接收机10中，经由控制计算机11和图像处理装置12共同进行数据处理。
[0037]
面对目前激光雷达及红外热成像仪所面临的难以有效识别图像的问题，本发明提供了一种将主被动探测技术相结合的远红外激光雷达装置，其包含两种工作模式：被动成像和主动相干成像。通过向同一个碲镉汞材料构建的光电探测器9施加不同偏压，可使光电探测器9的探测模式在接收远红外波段的主动激光雷达信号与探测被动红外热辐射信号中切换，进而本装置可利用同一个信号处理系统完成主被动两种模式的探测成像。
[0038]
本发明提供的远红外激光雷达装置可全天候工作，利用远红外探测光穿透性强的特点，使雷达探测光在恶劣天气下仍能穿透雨雾烟尘，获取高对比度、高信噪比的成像图像，能有效提高雷达的成像灵敏度。利用大视场的热成像探测方式进行目标定位，随后用窄视场的主动成像对目标进行进一步识别。通过这种方式，能同时获得目标的多种信息，包括目标的距离、角度等，信息量更加丰富，有效降低了图像识别算法的复杂度，提高了图像识别的准确率。此外，由于本装置利用同一信号处理系统进行探测，故本装置有效简化了系统结构，可减小装置体积、降低装置制作成本。
[0039]
在其中一个实施例中，还包括热电冷却器13，热电冷却器13与光电探测器9连接。通过热电冷却器13对光电探测器9进行实时降温，使之保持在安全温度下进行工作。
[0040]
在另一个实施例中，如图2所示，硫系芯片4包括衬底41、硫系微环谐振腔42以及直波导43，硫系微环谐振腔42和直波导43均设于衬底41的顶部，硫系微环谐振腔42与总线直波导43相互耦合。硫系微环谐振腔42的微环半径值为50um～200um，微环厚度为0.7um～1um，微环的宽度为1.9um～2.5um，腔自由光谱fsr为130ghz～520ghz。在本发明中主要利用硫系芯片4的克尔耗散效应，将单频的三角波调频连续波的频率啁啾特性无失真的传导给所产生的每一根梳齿上，在色散、非线性、腔体泵浦和损耗双重平衡的条件下，时域上连续波激光被转换为稳定的光脉冲序列，从而产生稳定的中远红外波段孤子频梳，使单束激光变为并行多通道光源。如图3所示，硫系芯片4的制备过程包括以下步骤：
[0041]
1.沉积：在氧化硅下包层上沉积硫系薄膜，沉积方式为热蒸镀、电子束蒸镀或磁控溅射，沉积速度不超过4nm/分钟～6nm/分钟，沉积厚度为600nm～1000nm；
[0042]
2.涂胶：在高非线性、低损耗硫系薄膜上旋涂电子束胶，聚合物电子胶为聚甲基丙烯酸酯pmma、arp、zep、nr-9中的任意一种，电子胶的厚度为1um～3um；
[0043]
3.光刻：对电子束胶曝光所需的图案层，并在曝光完成后将样品放入显影液中进行显影去除曝光区域的电子束胶，形成所需要的电子束胶图案层；
[0044]
4.刻蚀：将样品放入反应离子刻蚀机中，对样品进行离子轰击及离子反应刻蚀，电子束胶图案层转移到硫系薄膜上，形成微环谐振腔和残留电子束胶图案；
[0045]
5.残胶去除：通过除胶剂去除聚合物电子胶，获得微环谐振腔，除胶剂为丙酮或1165除胶剂；
[0046]
6.热回流：将样品密封放入退火炉中，对微环谐振腔侧壁起到热回流作用，使侧壁变得光滑，降低波导损耗，进而提高品质因子。
[0047]
在其中一个实施例中，激光器1输出的激光为窄线宽光源，处于中远红外波段，中心波长为8um～11um。相比于传统905nm和1550nm的激光光源，其在雨雾等天气下激光透射率提高1倍以上。
[0048]
在另一个实施例中，任意函数发生器3产生的波形为三角波的线性调频信号，带宽为1ghz-5ghz，调制速率为100khz-10mhz。
[0049]
在其中一个实施例中，微光学衍射元件7每毫米有50～100条刻痕，对光源可进行分光衍射。
[0050]
在一些实施例中，光电探测器9为由碲镉汞材料制成的雪崩光电二极管。当对其施加不同工作电压时，可切换至不同工作模式。当对其施加正向偏压时，可接收主动激光雷达所发射的人眼安全的激光信号；当对其施加反向偏压时，可切换至红外焦平面探测模式，用以探测远红外信号。
[0051]
在另一个实施例中还提供一种主被动探测结合的远红外激光雷达测量方法，使用以上所述的主被动探测结合的远红外激光雷达装置，包括以下步骤：
[0052]
在主动成像模式下：
[0053]
激光雷达对光电探测器9施加正向偏压；激光器1发射远红外泵浦激光进入电光调制器2，任意函数发生器3产生特点波形进入电光调制器2，对泵浦光进行频率调制；
[0054]
调制后的泵浦光进入硫系芯片4，利用硫系芯片4的克尔耗散效应，将单频的三角波调频连续波的频率啁啾特性无失真的传导给所产生的每一根梳齿上，在色散、非线性、腔体泵浦和损耗双重平衡的条件下，时域上连续波激光被转换为稳定的光脉冲序列，从而产生稳定的中远红外波段孤子频梳，使单束激光变为并行多通道光源；
[0055]
经硫系芯片4调制后的激光经分束器5分为主发射光束与本振光束，主发射光束经光放大器6放大后，进入微光学衍射元件7，通过微光学衍射元件7将调制光衍射到空间各处，实现对物体的探测；本振光束进入本振延迟器8进行进一步处理；
[0056]
主发射光束探测到物体后发生反射，回波信号再次进入激光雷达，并被光电探测器9接收，信号与分束器5所得的本振光束一同进行相干探测，经相干接收机10进行成像；
[0057]
相干接收机10成像后的信号，进一步通过控制计算机11和图像处理模块进行分析处理；
[0058]
在被动成像模式下：
[0059]
激光雷达对光电探测器9施加反向偏压；外界物体所发射的热辐射信号被激光雷达的光电探测器9接收；
[0060]
光电探测器9将信号传输至相干接收机10进行成像，相干接收机10成像后的信号，进一步通过控制计算机11和图像处理模块进行分析处理。
[0061]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
[0062]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。