一种激光雷达接收模块、激光雷达及大气气溶胶探测方法与流程

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种激光雷达接收模块、探测器及大气气溶胶探测方法。

背景技术：

激光雷达是一种将激光技术与雷达技术相结合的产品，是一种高性能的探测器。这种探测器主要包括激光发射模块、雷达回波信号接收模块、光电信号转换分析机。其工作原理是由激光发射模块发射一束具有一定圆半径的柱状光束，柱状光束具备良好的方向性(激光特性)，柱状光束传播的方向即激光雷达探测区域。激光辐照在空气中微小粒子上，激光光子由于撞击于微小粒子处产生于散射，即激光雷达所需的雷达回波信号。雷达回波信号接收模块接收雷达回波信号，并由光电信号转换分析机将回波信号转换为电信息并进行分析得出探测结果。

在一些需要获得大探测范围的应用领域，例如大气气溶胶探测，通常使用具有远场探测能力的激光雷达探测器，这类探测器主要为单光子探测器。单光子探测器具备良好的探测远场弱光的能力；探测范围较大。但是，为避免近场光子过多导致探测器饱和，这类单光子探测器通常不具备近场探测功能；探测器为了保证远场探测能力，舍弃近场，导致出现近场盲区。因此在实际应用中，为了保证近场探测和远场探测的结果均能兼顾，还需要另外配合近场探测的探测器，这会大大增加设备成本和运行成本，并提高探测和分析结果的处理难度。

技术实现要素：

针对现有技术中的问题，本发明提供一种激光雷达接收模块、探测器及大气气溶胶探测方法，可以解决传统单光子探测器存在近场盲区的缺陷，非常适用于进行大气气溶胶等领域的探测。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种激光雷达接收模块，该接收模块包括：双包层光纤，双包层光纤耦合器，光学开关，以及探测器模块。

双包层光纤包括纤芯、第一包层、第二包层和外护套；纤芯和第一包层用于传输光信号；纤芯用于接收和传输单模激光雷达回波信号；第一包层用于接收和传输传输多模激光雷达回波信号；第二包层为反射层；外护套用于保护所述内层的纤芯、第一包层和第二包层。

双包层光纤耦合器用于分离双包层光纤接收并传输的回波信号中的单模部分和多模部分；双包层光纤耦合器具有单进双出结构；其输入端与双包层光纤连接；两个输出端处分别与第一光纤和第二光纤的其中一端连接；第一光纤用于传输双包层光纤耦合器分离出的单模信号；第二光纤用于传输双包层光纤耦合器分离出的多模信号。

光学开关为二进一出结构的开关；光学开关的两个输入端分别与第一光纤和所述第二光纤的另一端连接；光纤开关的输出端与第三光纤的其中一端连接；光学开关用于切换单模信号或多模信号沿出口的信号输出规律；并调整单一信号采样周期内单模信号和多模信号的时间占比；

探测器模块的输入端与第三光纤的另一端连接，探测器模块用于接收并整合经光学开关传输的采样信号，并完成采样信号的光电转换过程。

进一步地，双包层光纤中，纤芯的直径为8-10μm；第一包层的直径为50-62.5μm，第二包层的直径为125μm。

进一步地，双包层光纤耦合器的输入端和输出端，光学开关的输入端和输出端，探测器模块的输入端均设置用于连接光纤的光纤法兰端口；第一光纤、第二光纤或第三光纤通过法兰或法兰座与相应组件连接。

进一步地，探测器模块选择具有freerunning探测模式的探测器。

进一步地，第一光纤中分离出的单模回波信号作为高信噪比、低探测功率阈值的近场信号使用；第二光纤中分离出的多模回波信号作为高耦合效率情况下的远场信号使用。

本发明还提供一种激光雷达，该激光雷达包括：激光雷达光源，信号接收模块，以及分析机。

其中，激光雷达光源用于发射脉冲信号。

信号接收模块用于接收所述激光雷达光源发出的脉冲信号的回波信号；并将回波信号整合成的采样信号发送给分析机；信号接收模块即为前述模块。该信号接收模块包括双包层光纤、双包层光纤耦合器、光学开关和探测器模块。

分析机用于对信号接收模块获取的采样信号转换后的电信号进行模数转换并综合分析，得到所需的探测结果。

进一步地，本发明中，激光雷达光源选择脉冲激光器。

进一步地，探测器选择具有freerunning探测模式的激光探测器。

进一步地，激光雷达光源的探测范围中，靠近光源的前10％的半径范围以内的回波信号由双包层光纤中的纤芯获取，其余90％半径范围的回波信号由双包层光纤中的第一包层获取。

本发明还提供一种大气气溶胶探测方法，该方法采用前述激光雷达进行探测；探测方法包括如下步骤：

(1)对光学开关进行初始化设置，设置单一信号采样周期，所述单一信号采样周期内的前10％时间段内获取单模回波信号，后90％时间段内获取多模回波信号；

(2)对探测器进行初始化设置，选择探测模式为freerunning；

(3)对脉冲激光器进行初始化设置，设置重复频率为10khz，脉冲宽度800ns，输出单脉冲能量300μj；

(4)对光学开关与探测器进行时间同步，采样控制同为10khz；

(5)对设备进行预热，预热完成后使设备进入工作状态；

(6)经大气气溶胶散射的光信号由接收模块收集，经探测器光电转换，分析机电信号与数字信号转换，得出激光雷达气溶胶探测的回波原始数据。

本发明提供的一种激光雷达接收模块、探测器及大气气溶胶探测方法，具有如下的有益效果：

1、该型激光雷达接收模块使用双包层光纤接收激光雷达回波信号，双包层光纤单模部分和多模部分同步进行雷达信号的接收。接收到信号经过双包层光纤分离为单模信号接收部分和多模信号接收部分。单模部分信号用于传输近场较高信噪比信号。多模部分信号用于高耦合效率情况下的远场传输回波信号。使用双包层光纤的接收系统可以在功能上同时实现近场高信噪比、低探测功率阈值情况和高耦合效率的远场信号收集。

2、本发明提供的光纤结构简单稳定易于小型化，光纤器件具备较强抗震性；从而能提升应该该光纤的激光雷达探测、接收性能的稳定性；柔性光纤对结构设计空间要求较小易于小型化；能够帮助实现无距离盲区探测的激光雷达方案。

3、调试科学，便利：在使用双包层光纤和信号收集系统调试中，继承了普通多模光纤感光面较大的优势，又可以依据单模部分高信噪比信号对系统性能进行精细调节。

4、同时，使用该型激光雷达非常适合应用于与大气气溶胶的探测；可以降低设备的安装成本和使用成本。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例1中激光雷达接收模块的模块连接示意图；

图2为本发明实施例1中双包层光纤的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例1中单模信号和多模信号经雷达接收模块接收和分离的过程示意图；

图4为本发明实施例2中激光雷达的模块示意图；

图5为本发明实施例3中大气气溶胶探测方法的流程图；

图中标记为：

1、双包层光纤；2、双包层光纤耦合器；3、光学开关；4、探测器模块；10、信号接收模块；11、纤芯；12、第一包层；13、第二包层；14、外护套；20、激光雷达光源；21、第一光纤；22、第二光纤；30、分析机；31、第三光纤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，一种激光雷达接收模块，该接收模块包括：双包层光纤1，双包层光纤耦合器2，光学开关3，以及探测器模块4。

如图2所示，双包层光纤1包括纤芯11、第一包层12、第二包层13和外护套14；纤芯11和第一包层12用于传输光信号；纤芯11用于接收和传输单模激光雷达回波信号；第一包层12用于接收和传输传输多模激光雷达回波信号；第二包层13为反射层；外护套14用于保护所述内层的纤芯11、第一包层12和第二包层13。

双包层光纤耦合器2用于分离双包层光纤1接收并传输的回波信号中的单模部分和多模部分；双包层光纤耦合器2具有单进双出结构；其输入端与双包层光纤1连接；两个输出端处分别与第一光纤21和第二光纤22的其中一端连接；第一光纤21用于传输双包层光纤耦合器2分离出的单模信号；第二光纤22用于传输双包层光纤耦合器2分离出的多模信号。

光学开关3为二进一出结构的开关；光学开关3的两个输入端分别与第一光纤21和所述第二光纤22的另一端连接；光纤开关的输出端与第三光纤31的其中一端连接；光学开关3用于切换单模信号或多模信号沿出口的信号输出规律；并调整单一信号采样周期内单模信号和多模信号的时间占比；

探测器模块4的输入端与第三光纤31的另一端连接，探测器模块4用于接收并整合经光学开关3传输的采样信号，并完成采样信号的光电转换过程。

本实施例中，双包层光纤1中，纤芯11的直径为8-10μm；第一包层12的直径为50-62.5μm，第二包层13的直径为125μm。

双包层光纤耦合器2的输入端和输出端，光学开关3的输入端和输出端，探测器模块4的输入端均设置用于连接光纤的光纤法兰端口；第一光纤21、第二光纤22或第三光纤31通过法兰或法兰座与相应组件连接。

其中，探测器模块4选择具有freerunning探测模式的探测器。

如图3所示，在本实施例，前端激光光源发出的柱状光束具有良好的方向性且具有较大的传播和探测距离；激光辐照在空气中的微小粒子上，激光光子由于撞击在微小粒子处发生散射，及产生激光雷达接收模块探测的雷达回波信号。

雷达回波信号中包括单模回波信号和多模回波信号，雷达接收模块中的双包层光纤1能够给同时允许单模和多模信号传输通过，其中双包层光纤1的纤芯11用于单模信号的传输，第一包层12用于多模信号的传输；双包层光纤1中的回波信号经过双包层光纤耦合器2分离后分别得到单模信号和多模信号，二者分别通过第一光纤21和第二光纤22进入到光学开关3中。

光学开关3在同一时间内仅允许单模信号或多模信号的其中一部分传输到光学开关3的后段；因此光学开关3实现了对单一采样周期内的单模信号的多模信号的输出规律控制，通过调整二者额的时间占比，决定了单一信号采样周期内多模信号和单模信号比例，从而保证能够给同时采集到远程和近场的信号类型。在使用过程中，操作人员可以对光学开关3进行初始化设置，调整单一采样周期的信号时长、以及采样信号中单模信号和多模信号的时长占比、顺序等。

其中，第一光纤21中分离出的单模回波信号作为高信噪比、低探测功率阈值的近场信号使用；第二光纤22中分离出的多模回波信号作为高耦合效率情况下的远场信号使用。

实施例2

本实施例提供一种激光雷达，如图4所示，该激光雷达包括：激光雷达光源20，信号接收模块10，以及分析机30。

其中，激光雷达光源20用于发射脉冲信号。

信号接收模块10用于接收所述激光雷达光源20发出的脉冲信号的回波信号；并将回波信号整合成的采样信号发送给分析机30。

本实施例中使用的信号接收模块10即为实施例1的信号接收模块10。该信号接收模块10包括双包层光纤1、双包层光纤耦合器2、光学开关3和探测器模块4。

分析机30用于对信号接收模块10获取的采样信号转换后的电信号进行模数转换并综合分析，得到所需的探测结果。

其中，本实施例的激光雷达光源20选择脉冲激光器。

探测器选择具有freerunning探测模式的激光探测器。

激光雷达光源20的探测范围中，靠近光源的前10％的半径范围以内的回波信号由双包层光纤1中的纤芯11获取，其余90％半径范围的回波信号由双包层光纤1中的第一包层12获取。

该激光雷达采用了如实施例的激光雷达接收模块，因此可以同时实现对近场和远场信号的探测与分析，有效消除了传统雷达的探测盲区。

实施例3

如图5所示，本实施例还提供一种大气气溶胶探测方法，该方法采用如实施例2的激光雷达进行探测；探测方法包括如下步骤：

(1)对光学开关进行初始化设置，设置单一信号采样周期，所述单一信号采样周期内的前10％时间段内获取单模回波信号，后90％时间段内获取多模回波信号；

(2)对探测器进行初始化设置，选择探测模式为freerunning；

(3)对脉冲激光器进行初始化设置，设置重复频率为10khz，脉冲宽度800ns，输出单脉冲能量300μj；

(4)对光学开关与探测器进行时间同步，采样控制同为10khz；

(5)对设备进行预热，预热完成后使设备进入工作状态；

(6)经大气气溶胶散射的光信号由接收模块收集，经探测器光电转换，分析机电信号与数字信号转换，得出激光雷达气溶胶探测的回波原始数据。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。