专利名称：激光雷达光学接收系统中光纤耦合的调试系统及方法
技术领域：
本发明涉及光电探测技术，尤其涉及一种激光雷达光学接收系统中光纤耦合的调试系统及方法。
背景技术：
在激光雷达系统中，光学接收系统中的望远镜和接收机之间采用传输光纤传递光信号。具体的，望远镜收集到的光信号耦合到传输光纤中，光信号经过传输光纤进入到接收机的光路中继续传播。为了获得最佳的耦合效果，理想的情形是，望远镜输出的光信号全部垂直进入传输光纤端面，这就需要调整传输光纤端面与望远镜焦点的相对位置。目前传统的耦合调试方法是在望远镜的焦点位置安装一个机械式三维调整架， 传输光纤端面通过该机械式三维调整架固定。通过手动调节调整架的旋钮来调整光纤端面的位置，通过人工判断光纤端面是否位于望远镜的焦点位置，且与光信号垂直设置。但这种调试方式至少存在如下缺点手动调试的难度大，耗时长。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光雷达光学接收系统中光纤耦合的调试系统及方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的—种激光雷达光学接收系统中光纤耦合的调试系统，包括三维调整架、由成像光缆和传输光纤构成的特制光缆、面阵电荷耦合器件CCD、控制装置；所述特制光缆的第一端面由所述三维调整架固定，所述第一端面是指靠近所述激光雷达光学接收系统的望远镜焦点的端面；所述三维调整架还与所述控制装置连接；所述成像光缆的第二端面与所述面阵CCD连接，所述成像光缆的第二端面是指所述成像光缆远离所述激光雷达光学接收系统的望远镜焦点的端面；所述传输光纤的第二端面与所述控制装置连接，所述传输光纤的第二端面是指所述传输光纤远离所述激光雷达光学接收系统的望远镜焦点的端面；所述面阵CXD的图像输出端与所述控制装置连接。一种应用权利要求1所述的调试系统对激光雷达光学接收系统中的光纤耦合进行调试的方法，包括所述控制装置接收所述面阵CXD输出的图像信号；所述控制装置根据所述图像信号中成像像素点在所述三维调整架的三维笛卡尔坐标系上的分布，调整所述三维调整架的位置，使得所述特制光缆的传输光纤的第一端面与所述望远镜焦点对齐。由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例中，控制装置驱动三维调整架进行位置调整，使得由三维调整架固定的传输光纤的第一端面能够与望远镜的焦点对齐，从而自动实现激光雷达光学接收系统中光纤耦合的调试，较之现有的手动调试系统，能够降低调试的难度，并缩短调试的时间。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。图1为本发明实施例提供的调试系统结构示意图；图2为本发明实施例提供的特制光缆结构示意图；图3为本发明应用实施例提供的望远镜出射光落在特制光缆上的光斑示意图；图4为本发明应用实施例提供的面阵CXD成像示意图。
具体实施例方式下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例提供了一种激光雷达光学接收系统中光纤耦合的调试系统，其结构如图1所示，包括(一 )、三维调整架，用于固定特制光缆的第一端面，并通过三维调整架控制线与控制装置连接，在控制装置的控制下，调整特制光缆的第一端面的位置，使得望远镜收集到的光信号耦合到传输光纤中。作为举例而非限定，本发明实施例提供的三维调整架可以是三维可调压电式精密调整架，三维可调压电式精密调整架的工作原理是，根据控制装置发出的反馈电压，在三维笛卡尔坐标系内进行位置调整。三维可调压电式精密调整架相对于传统的机械式三维调整架，不仅能够实现自动调整，且位置调整的精度更高。(二)、由成像光缆和传输光纤构成的特制光缆。其中，特制光缆的第一端面(即成像光缆的第一端面和传输光纤的第一端面)由三维调整架固定，以便接收望远镜收集到的光信号，所述第一端面是指靠近上述望远镜焦点的端面；传输光纤的第二端面与控制装置连接，以便将接收到的光信号发送给控制装置，所述传输光纤的第二端面是指所述传输光纤远离望远镜焦点的端面；成像光缆的第二端面与面阵CXD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)连接，以便接收到光信号经过成像光缆耦合进入面阵CCD，所述成像光缆的第二端面是指所述成像光缆远离望远镜焦点的端面。(三)、面阵CCD，用于根据接收到的光信号，生成图像信号，并将图像信号发送给控制装置。面阵C⑶的图像输出端与控制装置连接。(四)、控制装置。在本发明实施例中，控制装置可以是计算机，也可以是其他具备控制功能的装置。为了便于操作人员直观地了解调试情况，本发明实施例提供的控制装置中还可以包括显示模块。本发明实施例中，如图2所示，所述特制光缆中的光纤以传输光纤为中心，围绕该中心紧密排列。也就是说，特制光缆中的光纤呈中心对称分布，且传输光纤位于对称中心。本发明实施例提供的系统，由控制装置驱动三维调整架进行位置调整，使得由三维调整架固定的传输光纤的第一端面能够与望远镜的焦点对齐，从而自动实现激光雷达光学接收系统中光纤耦合的调试，较之现有的手动调试系统，能够降低调试的难度，并缩短调试的时间。本发明实施例提供的系统还包括激光发射装置，用于发射光信号，该光信号具体为激光；光束扩束装置，用于将激光发射装置发射的光信号进行光束扩束后发射；置于望远镜的出光口的角反射器，角反射器是一种使得反射光沿着入射光的方向反向出射的反射装置。本发明实施例还提供一种应用上述的调试系统对激光雷达光学接收系统中的光纤耦合进行调试的方法，具体包括如下操作步骤1、控制装置接收面阵CCD输出的图像信号，并接收传输光纤输出的光信号；步骤2、控制装置根据所述图像信号中成像像素点在上述三维笛卡尔坐标系的 X-Y坐标平面上的分布、和所述光信号的强度，调整三维调整架的位置，使得望远镜收集到的光信号(望远镜收集到的光信号通过焦点出射)垂直穿过传输光纤的第一端面的中心， 且所述传输光纤输出的光信号强度最大；所述X-Y坐标平面与所述望远镜通过焦点出射的光信号垂直。当望远镜收集到的光信号垂直穿过传输光纤的第一端面的中心，且所述传输光纤输出的光信号强度最大时，认为传输光纤与望远镜焦点的耦合效果最佳，调试完成。本发明实施例中，特制光缆中的各个光纤均对应一个唯一的编号，其中，如图2所示，传输光纤为0号光纤，成像光缆的各个光纤从1号开始，均对应一个正整数的编号。成像光缆中的每个光纤分别与面阵CCD中的一个像素对应。当光纤中有光信号传播，则该光纤连接的像素将该光信号转换成数字信号，本发明实施例中，将该数字信号称作成像像素点。相应的，与成像光缆的光纤连接的像素具有与该光纤相同的编号，该像素生成的成像像素点也具有与该光纤相同的编号。那么，在步骤1之前，本发明实施例提供的方法还包括如下操作面阵CCD接收成像光缆输出的光信号，根据该光信号生成图像信号，所述图像信号中包括成像像素点、和各个成像像素点的编号。在上述步骤1和步骤2之间，该方法还包括如下操作控制装置根据预先设定的编码方式生成各个成像像素点在上述X-Y坐标平面上的坐标，并建立成像像素点的编号与成像像素点的坐标之间的对应关系。本发明实施例提供的方法中，上述步骤2的具体实现方式如下步骤201、控制装置判断所述图像信号中的成像像素点是否呈中心对称分布；如果是，执行步骤203，如果不是，执行步骤202 ；其中，步骤201具体可以是控制装置判断所述图像信号中的成像像素点是否关于X-Y坐标平面的坐标原点对称。
步骤202、控制装置通过控制三维调整架调整所述特制光缆的第一端面在X-Y坐标平面上的位置，使得所述图像信号中的成像像素点呈中心对称分布，执行步骤203 ；步骤203、控制装置在Z轴上调整三维调整架的位置，直到面阵CXD不再输出图像信号，所述ζ轴垂直于所述X-Y坐标平面，执行步骤204 ；步骤204、控制装置根据传输光纤输出的光信号的强度，在所述Z轴上调整三维调整架的位置，直到传输光纤输出的光信号强度最大。其中，上述步骤204的具体实现方式可以是比较位置调整前后，所述传输光纤输出的光信号强度，将光信号强度的差值作为反馈信号，自适应调整三维调整架的位置，直到所述传输光纤输出的光信号强度最大。由于望远镜出射的光信号汇聚到焦点处后扩散，因此，当上述图像信号中的成像像素点在Z轴的某个位置处呈中心对称分布，不代表其在Z轴任意位置均呈中心对称分布。 如图3所示，当望远镜出射的光信号落在特制光缆的第一端面上，形成图中左侧所示的光斑时，成像像素点呈中心对称分布。但通过驱动Z轴的反馈电压增大或减小与焦点的轴向距离，使得第一端面更靠近焦点时，望远镜出射的光信号落在特制光缆第一端面上，形成图中右侧所示的光斑，此时，光斑变小，成像像素点不再呈中心对称分布。为了保证第一端面在Z轴的任何位置上，成像像素点均呈中心对称分布，本发明实施例中，上述步骤202的具体实现方式可以是控制装置通过在X-Y坐标平面上调整三维调整架的位置，来调整所述特制光缆在所述X-Y坐标平面上的位置；当所述图像信号中的成像像素点呈中心对称分布后，控制装置在Z轴上调整三维调整架的位置，如果在Z轴上的位置变化后，所述图像信号中的成像像素点不再呈中心对称分布，则继续在X-Y坐标平面上调整三维调整架的位置， 直到三维调整架在Z轴上的位置变化时，所述图像信号的成像像素点总是呈中心对称分布。下面将通过一个具体的应用实施例，详细说明应用本发明实施例提供的调试系统进行光纤耦合调试的具体实现方式。在如图1所示的系统中，激光发射装置发射的激光经过光束扩束装置进行光束扩束之后，进入角反射器；在角反射器的反射作用下，光信号沿着入射方向的反方向进入望远镜；光信号在望远镜反射镜的作用下出射，并聚焦到望远镜的焦点。光信号进入望远镜焦点附近的特制光缆的第一端面。光信号经成像光缆传输，由成像光缆的第二端面耦合进入面阵CCD ；光信号经过传输光纤，由传输光纤的第二端面耦合进入控制装置。则，本应用实施例提供的调试方法具体包括如下操作步骤1、面阵CCD根据接收到的光信号，生成图像信号，并将图像信号发送给控制
装置；步骤2、控制装置判断图像信号中的成像像素点是否呈中心对称分布，如果是，执行步骤4，否则，执行步骤3;步骤3、控制装置根据像素点在X-Y坐标平面上的分布，向三维调整架(本应用实施例中，三维调整架是三维可调压电式精密调整架)x轴、和/或Y轴的压电陶瓷施加反馈电压，控制三维调整架在X-Y坐标平面的位置，使得成像像素点呈中心对称。其中，作为举例而非限定，当望远镜发出的光信号落在特制光缆截面上的光斑如图4左侧所示时，面阵CXD成像结果如图4右侧所示。那么，控制装置向三维调整架X轴的压电陶瓷施加反馈电压，控制三维调整架沿X轴正向移动；控制装置向三维调整架Y轴的压电陶瓷施加反馈电压，控制三维调整架沿Y轴负向移动。步骤4、控制装置向三维调整架Z轴的压电陶瓷施加反馈电压，在Z轴上调整三维调整架的位置，判断三维调整架在Z轴上的位置变化后，面阵CXD输出的图像信号中的成像像素点是否仍然呈中心对称分布，如果三维调整架在Z轴上移动，面阵CCD输出的图像信号总是呈中心对称分布，则执行步骤6，否则，执行步骤5 ；步骤5、调整了三维调整架在Z轴上的位置后，控制装置继续在X-Y坐标平面上调整三维调整架的位置，直到三维调整架在Z轴上的位置变化时，所述图像信号的成像像素点总是呈中心对称分布，执行步骤6 ；步骤6、控制装置向三维调整架Z轴的压电陶瓷施加反馈电压，在Z轴上调整三维调整架的位置，直到面阵CXD不能成像，执行步骤7 ；其中，当面阵CXD不能成像时，表示望远镜发出的光信号全部集中在传输光纤上。步骤7、控制装置在Z轴上对三维调整架的位置进行微调，直到传输光纤输出的光信号强度最大。其中，由于光纤由纤芯和包层组成。面阵C⑶不能成像时，望远镜发出的光信号还可能分布在传输光纤的包层上。通过步骤7的操作，使得光信号尽可能全部进入传输光纤的纤芯，此时，传输光纤的耦合调试操作完成。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种激光雷达光学接收系统中光纤耦合的调试系统，其特征在于，包括三维调整架、由成像光缆和传输光纤构成的特制光缆、面阵电荷耦合器件CCD、控制装置；所述特制光缆的第一端面由所述三维调整架固定，所述第一端面是指靠近所述激光雷达光学接收系统的望远镜焦点的端面；所述三维调整架还与所述控制装置连接；所述成像光缆的第二端面与所述面阵CCD连接，所述成像光缆的第二端面是指所述成像光缆远离所述激光雷达光学接收系统的望远镜焦点的端面；所述传输光纤的第二端面与所述控制装置连接，所述传输光纤的第二端面是指所述传输光纤远离所述激光雷达光学接收系统的望远镜焦点的端面；所述面阵CXD的图像输出端与所述控制装置连接。
2.根据权利要求1所述的调试系统，其特征在于，所述系统还包括激光发射装置，用于发射激光；光束扩束装置，用于将所述激光发射装置发射的激光进行光束扩束后发射；置于所述望远镜的出光口的角反射器，用于使所述光束扩束装置发射的光信号按照入射方向的反方向进入所述望远镜。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述三维调整架为三维可调压电式精密调整架。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述特制光缆中的光纤呈中心对称分布，且所述传输光纤位于对称中心。
5.一种应用权利要求1所述的调试系统对激光雷达光学接收系统中的光纤耦合进行调试的方法，其特征在于，包括步骤1、所述控制装置接收所述面阵CCD输出的图像信号，并接收所述传输光纤输出的光信号；步骤2、所述控制装置根据所述图像信号中成像像素点在X-Y坐标平面上的分布、和所述光信号的强度，调整所述三维调整架的位置，使得所述望远镜通过焦点出射的光信号垂直穿过所述特制光缆的传输光纤的第一端面的中心，且所述传输光纤输出的光信号强度最大；所述X-Y坐标平面与所述望远镜通过焦点出射的光信号垂直。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤1之前，该方法还包括所述面阵CCD接收所述成像光缆输出的光信号，根据所述光信号生成所述图像信号， 所述图像信号中包括成像像素点、和各个成像像素点的编号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述步骤1和所述步骤2之间，该方法还包括所述控制装置根据预先设定的编码方式，生成各个成像像素点在所述X-Y坐标平面上的坐标，并建立成像像素点的编号与成像像素点的坐标之间的对应关系，所述成像像素点的编号与对应的成像光缆中的光纤编号一致。
8.根据权利要求5 7任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括所述控制装置判断所述图像信号中的成像像素点是否呈中心对称分布；如果不是，则所述控制装置通过控制所述三维调整架调整所述特制光缆的第一端面在X-Y坐标平面上的位置，使得所述图像信号中的成像像素点呈中心对称分布；当所述图像信号中的成像像素点呈中心对称分布后，所述控制装置在Z轴上调整所述三维调整架的位置，直到所述面阵CXD不再输出图像信号，所述Z轴垂直于所述X-Y坐标平所述控制装置根据所述传输光纤输出的光信号的强度，在所述Z轴上调整所述三维调整架的位置，直到所述传输光纤输出的光信号强度最大。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述控制装置通过控制所述三维调整架调整所述特制光缆的第一端面在X-Y坐标平面上的位置，使得所述图像信号中的成像像素点呈中心对称分布包括所述控制装置通过在X-Y坐标平面上调整所述三维调整架的位置，来调整所述特制光缆在所述X-Y坐标平面上的位置；当所述图像信号中的成像像素点呈中心对称分布后，所述控制装置在Z轴上调整所述三维调整架的位置，如果位置变化后，所述图像信号中的成像像素点不再呈中心对称分布， 则在X-Y坐标平面上调整所述三维调整架的位置，直到所述三维调整架在Z轴上的位置变化时，所述图像信号的成像像素点总是呈中心对称分布。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述控制装置根据所述传输光纤输出的光信号的强度，在所述Z轴上调整所述三维调整架的位置，直到所述传输光纤输出的光信号强度最大具体包括比较位置调整前后，所述传输光纤输出的光信号强度，将光信号强度的差值作为反馈信号，自适应调整三维调整架的位置，直到所述传输光纤输出的光信号强度最大。
全文摘要
本发明公开了一种激光雷达光学接收系统中光纤耦合的调试系统，包括三维调整架、由成像光缆和传输光纤构成的特制光缆、面阵电荷耦合器件CCD、控制装置；所述特制光缆的第一端面由所述三维调整架固定；所述三维调整架还与所述控制装置连接；所述成像光缆的第二端面与所述面阵CCD连接；所述传输光纤的第二端面与所述控制装置连接；所述面阵CCD的图像输出端与所述控制装置连接。本发明还提供一种应用上述调试系统的调试方法。由于控制装置驱动三维调整架进行位置调整，从而自动实现激光雷达光学接收系统中光纤耦合的调试，能够降低调试的难度，并缩短调试的时间。
文档编号G01S7/481GK102288955SQ201110237900
公开日2011年12月21日 申请日期2011年8月18日 优先权日2011年8月18日
发明者夏海云, 孙东松, 张飞飞, 窦贤康, 舒志峰, 薛向辉, 陈廷娣 申请人:中国科学技术大学