专利名称：一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光雷达，更特别地说，是指一种具有三波束相干调频连续波的 光纤激光雷达。
背景技术：
激光雷达主要工作在红外和可见光波段，当辐射照射目标时，激光雷达利用目标 的反射、折射、散射和透射等所产生的回波，对目标进行探测。与传统的微波雷达相比，激光 雷达的波长短得多，所以具有探测灵敏度高和测量分辨率高、全天候工作、体积小、质量轻、 与网络融合能力强、可在分子量级上对目标进行探测等优点。
激光雷达的基本组成包括发射、接收和后置信号处理三部分，以及使三部分协调 工作的机构。参考电子工业出版社于2010年11月第I次印刷，戴永江编著的《激光雷达技 术》第5章第173页、第174页和第175页中公开的内容。书中“信号处理及控制部分”包 括有信号预处理、信号处理器、伺服系统和通信系统。光电探测器将回来的激光信号直接转 变为电信号；信号处理器将各种信号参量处理为含有距离、速度、角度和目标图像特征的信 息，再经过模/数转换器，转变为数字信号，送入计算机或微处理器等主处理器，变为可分 析和显示及传输的数据和图像信息。
在发射、接收技术中，接收技术有非相干接收和相干接收两大类。非相干技术接收 是接收激光能量的直接接收方式，技术简单和成熟。相干接收技术有外差接收、自差接收和 零差接收方式。相干接收技术测量的是回波信号和发射的激光信号之间的差频信号，而非 相干接收技术测量的是接收信号和发射的激光能量信号的相对能量变化。与非相干接收技 术相比，相干激光雷达可实现速度、距离的精确测量，并能探测目标的振动谱、反射特性和 偏振特性，比非相干接收精度高，可探测隐身目标，具有区别真伪目标的能力。相干接收具 有转化增益高和滤波性能优良的特点，有利于微弱信号的探测，可获得目标的全部信息。连 续波激光相干雷达可连续提供目标信息，而且灵敏度很高，因此可对高速运动目标和散射 截面很小的目标进行探测。
目前激光雷达测距主要分为三类激光脉冲飞行时间测距、连续波调幅测距和调 频连续波测距。相比其它两种测距方式，调频连续波激光雷达的特点为
(I)具有很小的距离分辨率，能够探测到的最小距离与激光波长相比拟；
(2)能够对目标的速度和距离同时进行测量；
(3)能够进行非接触的微小振动测量；
(4)探测到的差频信号在频域上进行处理，简化了处理电路；
(5)相比大峰值功率的脉冲激光雷达，平均功率小得多，使用安全；
(6)结构紧凑，质量轻，功耗小。
由于目前的调频连续波测距激光雷达不能对目标进行三维速度和距离的测量。发明内容
本发明的目的是提供一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达，该激光雷达为相干探测方式，其发射和接收部分采用全光纤光路，利用光纤作为激光的传输和接收光路， 可以使光源和探测器远离恶劣的外界探测环境，并且具有结构简单、质量轻等优点；采用三角波调频连续波体制，可以同时探测距离和速度信息，避免了脉冲体制的距离速度分辨率相互制约的问题，实现了无盲区高精度测量。利用三波束进行三维速度及距离的测量，能够同时解调出三维速度和距离信息，解决摇摆带来的动态误差。
本发明的一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达，所述激光雷达包括有发射部分、接收部分和信号处理及控制部分(14)，其中
所述发射部分包括有窄线宽激光器(I)、第一光纤耦合器(2)、隔离器(3)、泵浦源(4)、波分复用器(5)、掺铒光纤(6)、第二光纤稱合器(81)、第一环形器(91)、第二环形器_ ^(92)、第三环形器(93)、第一波片(101)、第二波片(102)、第三波片(103)、第一准直444器(111)、第二准直器(112)和第三准直器(113);其光信息传输为
窄线宽激光器(I)用于输出三角波频率调制的窄线宽激光I1给第一光纤耦合器 ⑵；
第一光纤耦合器(2)将接收到的窄线宽激光I1按照功率进行分光，分为第一发射信号光IA2和第一本振光IB2 ;第一发射信号光IA2输出给隔离器(3);第一本振光IB2输出4、t-u ~ι/Χ./ W 乂。2
隔离器(3)第一方面将接收到的第一发射信号光IA2传输给波分复用器(5)，经隔离器(3)后的第一发射信号光IA2记为第二发射信号光G3 ;第二方面滤除从波分复用器(5) 回传的第二自发辐射光g5。
泵浦源(4)用于输出泵浦光I4，所述泵浦光I4的波长为974nm。
波分复用器(5)第一方面将接收到的泵浦光I4和第二发射信号光G3进行耦合，使两束光在同一光纤当中径向传输，得到混合光G5输出给掺铒光纤(6);第二方面将回传的第一自发福射光g6传输给隔离器(3),经波分复用器(5)后的第一自发福射光g6记为第二自发辐射光g5。
掺铒光纤(6)第一方面用于将接收到的混合光G5进行受激放大，得到第三发射信号光G6输出给第二光纤f禹合器(81),第二方面混合光G5在掺铒光纤(6)中会因为自发福射而产生反向传输的第一自发辐射光&，该第一自发辐射光g6输出给波分复用器(5)中。
第二光纤耦合器(81)将接收到第三发射信号光G6按照功率进行分光，分为X轴发射信号光XG81, Y轴发射信号光YG81和Z轴发射信号光ZG81 ；X轴发射信号光XG81输出给第一环形器(91), Y轴发射信号光Ye8I输出给第二环形器(92), Z轴发射信号光ZG81输出给第三环形器(93)。所述X轴发射信号光XG81占有第三发射信号光G6的功率的4 ,所述Y轴发射信号光YG81占有第三发射信号光G6的功率的4，所述Z轴发射信号光ZG81占有第三发3射信号光G6的功率的*
第一环形器(91)第一方面将接收到的X轴发射信号光XG81进行X轴方向的定向，X成为X轴定向光束XG91，该X轴定向光束XG91被传输给第一τ波片(101);第二方面将接收4到的X轴第三返回信号光Xg91进行X轴方向的定向，成为X轴第四返回信号光XI91，该X轴 第四返回信号光XI91被传输给第四光纤I禹合器(121)。
第二环形器(92)第一方面将接收到的Y轴发射信号光YG81进行Y轴方向的定向，I成为Y轴定向光束YG92,该Y轴定向光束YG92被传输给第二Τ波片(102);第二方面将接收4到的Y轴第三返回信号光yg92进行Y轴方向的定向，成为Y轴第四返回信号光XI92,该Y轴 第四返回信号光XI92被传输给第五光纤稱合器(122)。
第三环形器(93)第一方面将接收到的Z轴发射信号光ZG81进行Z轴方向的定向，成为Z轴定向光束ZG93，该Z轴定向光束ZG93被传输给第三4"波片(103);第二方面将接收4到的Z轴第三返回信号光Zg93进行Z轴方向的定向，成为Z轴第四返回信号光XI93,该Z轴 第四返回信号光XI93被传输给第六光纤稱合器(123)。I
第一τ波片(101)第一方面将接收到的X轴定向光束XG91R换为圆偏振光，得到X4轴圆偏振光XGltll输出给第一准直器(111);另一方面将接收到的X轴第二返回信号光Xgltll 转换为线偏振光，得到X轴第三返回信号光Xg91。I
第二τ波片(102)第一方面将接收到的Y轴定向光束YG92转换为圆偏振光，得到Y4轴圆偏振光YGltl2输出给第二准直器(112);另一方面将接收到的Y轴第二返回信号光yg1(l2 转换为线偏振光，得到Y轴第三返回信号光yg92。I
第三τ波片(103)第一方面将接收到的Z轴定向光束ZG93R换为圆偏振光，得到Z4轴圆偏振光ZGltl3输出给第三准直器(113);第二方面将接收到的Z轴第二返回信号光Zgltl3 转换为线偏振光，得到Z轴第三返回信号光Zg930
第一准直器(111)第一方面将接收到的X轴圆偏振光XG皿进行扩束准直为X轴探 测光XG111，该X轴探测光XG111照射在目标上；照射到目标上的X轴探测光XG111经反射、背 向散射成为X轴第一返回信号光Xg111 ;第二方面将接收到的X轴第一返回信号光Xg111进行I聚焦稱合输出X轴第二返回信号光Xgicu给第一*7波片(101)。4
第二准直器(112)第一方面将接收到的Y轴圆偏振光YGltl2进行扩束准直为Y轴探 测光YG112,该Y轴探测光YG112照射在目标上；照射到目标上的Y轴探测光YG112经反射、背向散射成为Y轴第一返回信号光yg112 ;第二方面将接收到的Y轴第一返回信号光yg112进行I聚焦耦合输出Y轴第二返回信号光yg1(12给第二T波片(102)。4
第三准直器(113)第一方面将接收到的Z轴圆偏振光ZGltl3进行扩束准直为Z轴探 测光ZG113,该Z轴探测光ZG113照射在目标上；照射到目标上的Z轴探测光ZG113经反射、背向散射成为Z轴第一返回信号光Zg113 ;第二方面将接收到的Z轴第一返回信号光Zg113进行I聚焦耦合输出Z轴第二返回信号光Zgltl3给第三T波片(103)。4. 、 λ
所述接收部分包括有窄线宽激光器(I)、第一光纤稱合器(2)、波片(7)、第三光2I纤耦合器(82)、第一环形器(91)、第二环形器(92)、第三环形器(93)、第一波片(101)、4II第二了波片(102)、第三一波片(103)、第一准直器(111)、第二准直器(112)、第三准直器 44(113)、第四光纤稱合器(121)、第五光纤稱合器(122)、第六光纤稱合器(123)、第一光电探测器(131)、第二光电探测器(132)、第三光电探测器(133);其光信息传输为
窄线宽激光器(I)用于输出三角波频率调制的窄线宽激光I1给第一光纤耦合器(2)；
第一光纤耦合器(2)将接收到的窄线宽激光I1按照功率进行分光，分为第一发射信号光IA2和第一本振光IB2 ;第一发射信号光IA2输出给隔离器(3);第一本振光IB2输出给 波片(7) L22
:波片(7)将接收到的第一本振光IB2进行相位的变换，输出第二本振光G7给2第三光纤稱合器(82)。
第三光纤耦合器(82)将接收到的第二本振光G7按照功率进行分光，分为X轴本振光XG82, Y轴本振光YG82和Z轴本振光ZG82 ；Χ轴本振光XG82输出给第四耦合器(121)，Y轴本振光YG82输出给第五I禹合器(122), Z轴本振光ZG82输出给第六I禹合器(123)。
所述X轴本振光XG82占有第二本振光G7的功率的4，所述Y轴本振光YG82占有第3`II二本振光G7的功率的7，所述Z轴本振光ZG82占有第二本振光G7的功率的7 ,33
第一环形器(91)第一方面将接收到的X轴发射信号光XG81进行X轴方向的定向，1成为X轴定向光束XG91，该X轴定向光束XG91被传输给第一τ波片(101);第二方面将接收4到的X轴第三返回信号光Xg91进行X轴方向的定向，成为X轴第四返回信号光XI91，该X轴第四返回信号光XI91被传输给第四光纤I禹合器(121)。
第二环形器(92)第一方面将接收到的Y轴发射信号光YG81进行Y轴方向的定向，2成为Y轴定向光束YG92,该Y轴定向光束YG92被传输给第二τ波片(102);第二方面将接收4到的Y轴第三返回信号光yg92进行Y轴方向的定向，成为Y轴第四返回信号光XI92,该Y轴第四返回信号光XI92被传输给第五光纤稱合器(122)。
第三环形器(93)第一方面将接收到的Z轴发射信号光ZG81进行Z轴方向的定向，X成为Z轴定向光束ZG93，该Z轴定向光束ZG93被传输给第三T波片(103);第二方面将接收4到的Z轴第三返回信号光Zg93进行Z轴方向的定向，成为Z轴第四返回信号光XI93,该Z轴第四返回信号光XI93被传输给第六光纤稱合器(123)。Λ
第一τ波片(101)第一方面将接收到的X轴定向光束XG91R换为圆偏振光，得到X轴圆偏振光XGltll输出给第一准直器(111);另一方面将接收到的X轴第二返回信号光Xgltll 转换为线偏振光，得到X轴第三返回信号光Xg91。I
第二τ波片(102)第一方面将接收到的Y轴定向光束YG92转换为圆偏振光，得到Y4轴圆偏振光YGltl2输出给第二准直器(112);另一方面将接收到的Y轴第二返回信号光yg1(l2 转换为线偏振光，得到Y轴第三返回信号光yg92。Jj
第三τ波片(103)第一方面将接收到的Z轴定向光束ZG93R换为圆偏振光，得到Z4轴圆偏振光ZGltl3输出给第三准直器(113);第二方面将接收到的Z轴第二返回信号光Zgltl3 转换为线偏振光，得到Z轴第三返回信号光Zg930
第一准直器(111)第一方面将接收到的X轴圆偏振光XG皿进行扩束准直为X轴探测光XG111，该X轴探测光XG111照射在目标上；照射到目标上的X轴探测光XG111经反射、背向散射成为X轴第一返回信号光Xg111 ;第二方面将接收到的X轴第一返回信号光Xg111进行I 聚焦稱合输出X轴第二返回信号光Xg1Ci1给第一-J波片(101)。4
第二准直器(112)第一方面将接收到的Y轴圆偏振光YGltl2进行扩束准直为Y轴探测光YG112,该Y轴探测光YG112照射在目标上；照射到目标上的Y轴探测光YG112经反射、背向散射成为Y轴第一返回信号光yg112 ;第二方面将接收到的Y轴第一返回信号光yg112进行聚焦耦合输出Y轴第二返回信号光yg1(l2给第二4波片(102)。4
第三准直器(113)第一方面将接收到的Z轴圆偏振光ZGltl3进行扩束准直为Z轴探测光ZG113,该Z轴探测光ZG113照射在目标上；照射到目标上的Z轴探测光ZG113经反射、背向散射成为Z轴第一返回信号光Zg113 ;第二方面将接收到的Z轴第一返回信号光Zg113进行I聚焦耦合输出Z轴第二返回信号光Zgltl3给第三T波片(103)。4
第四光纤耦合器(121)将接收到的X轴本振光XG82和X轴第四返回信号光XI91进行率禹合，形成光学拍，输出X轴拍频信号光XG121给第一光电探测器(131)。
第五光纤稱合器(122)将接收到的Y轴本振光YG82和Y轴第四返回信号光XI92进行率禹合，形成光学拍，输出Y轴拍频信号光YG122给第二光电探测器(132)。
第六光纤稱合器(123)将接收到的Z轴本振光ZG82和Z轴第四返回信号光XI93进行率禹合，形成光学拍，输出Z轴拍频信号光ZG123给第三光电探测器(133)。
第一光电探测器(131)将接收到的X轴拍频信号光XG121转化为X轴电压信号Vx 输出给信号处理及控制部分(14)。
第二光电探测器(132)将接收到的Y轴拍频信号光YG122转化为Y轴电压信号\ 输出给信号处理及控制部分(14)。
第三光电探测器(133)将接收到的Z轴拍频信号光ZG123转化为Z轴电压信号Vz 输出给信号处理及控制部分(14)。
本发明三波束全光纤相干调频连续波激光雷达的优点在于
①采用光纤耦合器通过分束进行三波束探测，可以同时解调出三个准直器所指方向的三维速度和距离的解调。
②利用耦合器对本振光进行分光，提供了频率相对稳定的三路本振光，避免了使用三个独立的激光探测系统时因为激光器受环境及激光器自身误差造成的探测误差的影响。
③第一准直器与第二准直器关于NOLA平面对称，第二准直器与第三准直器关于 MOLB对称，这种对称结构设计形成Janus (译文双面神)配置，这种三个准直器的结构配置使得由摇摆带来的动态误差降低2 3个数量级。
④第一准直器天顶角^为45°，方位角匕为150° ;第二准直器天顶角^为 45°，方位角βγ为30° ;第三准直器天顶角、为45°，方位角βζ*-30°。更利于准确测量M轴方向速度和距离。
⑤采用三角波调频连续波体制，可以同时探测距离和速度信息，避免了脉冲体制的距离速度分辨率相互制约的问题，实现了无盲区高精度测量。
⑥采用全光纤光路，与基于传统固体激光器的空间光路激光雷达相比，具有体积小、重量轻、稳定性好，不需要复杂的冷却系统，能够在相对恶劣的条件下使用，比如强振动，大温差等环境下。
⑦米用波长为1550nm激光器,该波段激光器比较成熟,对人眼安全。激光器利用对称三角波调频方式，可以解速度和距离耦合。
⑧采用相干探测方式，具有直接探测激光雷达无法比拟的探测精度。
图1是本发明三光束全光纤相干调频连续波激光雷达的结构框图。
图2是本发明中三个 准直器的布局示意图。
图3是本发明调频探测示意图；其中，(A)为相对目标静止状态下的发射信号和接收信号的频率调制示意图；(B)为相对目标静止状态下的探测器接收到的频度示意图；(C) 为相对目标运动状态下的发射信号和接收信号的频率调制示意图；(D)为相对目标运动状态下的探测器接收到的频度示意图。
权利要求
1. 一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达，所述激光雷达包括有发射部分、接收部分和信号处理及控制部分(14)，其特征在于所述发射部分包括有窄线宽激光器(I)、第一光纤耦合器(2)、隔离器(3)、泵浦源(4)、波分复用器(5)、掺铒光纤(6)、第二光纤耦合器(81)、第一环形器(91)、第二环形器(92)、第三环形器(93)、第一波片(101)、第二-J波片(102)、第三波片(103)、第一准直器·(111)、第二准直器(112)和第三准直器(113);其光信息传输为 窄线宽激光器(I)用于输出三角波频率调制的窄线宽激光I1给第一光纤耦合器(2)； 第一光纤耦合器(2)将接收到的窄线宽激光I1按照功率进行分光，分为第一发射信号·光IA2和第一本振光IB2 ;第一发射信号光IA2输出给隔尚器(3);第一本振光IB2输出给波片(7)。隔离器(3)第一方面将接收到的第一发射信号光IA2传输给波分复用器(5)，经隔离器(3)后的第一发射信号光IA2记为第二发射信号光G3 ;第二方面滤除从波分复用器(5)回传的第二自发辐射光g5。泵浦源(4)用于输出泵浦光I4，所述泵浦光I4的波长为974nm。
波分复用器(5)第一方面将接收到的泵浦光I4和第二发射信号光G3进行耦合，使两束光在同一光纤当中径向传输，得到混合光G5输出给掺铒光纤(6);第二方面将回传的第一自发福射光g6传输给隔离器(3),经波分复用器(5)后的第一自发福射光g6记为第二自发福射光g5。
掺铒光纤(6)第一方面用于将接收到的混合光G5进行受激放大，得到第三发射信号光G6输出给第二光纤I禹合器(81),第二方面混合光G5在掺铒光纤(6)中会因为自发福射而产生反向传输的第一自发辐射光g6，该第一自发辐射光g6输出给波分复用器(5)中。
第二光纤耦合器(81)将接收到第三发射信号光G6按照功率进行分光，分为X轴发射信号光XG81, Y轴发射信号光YG81和Z轴发射信号光ZG81 ；X轴发射信号光XG81输出给第一环形器(91), Y轴发射信号光YG81输出给第二环形器(92), Z轴发射信号光ZG81输出给第三环形器(93)。所述X轴发射信号光XG81占有第三发射信号光G6的功率的$，所述Y轴发射信 3号光YG81占有第三发射信号光G6的功率的4，所述Z轴发射信号光ZG81占有第三发射信号光G6的功率的1//3o第一环形器(91)第一方面将接收到的X轴发射信号光XG81进行X轴方向的定向,成为 IX轴定向光束XG91,该X轴定向光束XG91被传输给第一T波片(101);第二方面将接收到的X 4轴第三返回信号光Xg91进行X轴方向的定向，成为X轴第四返回信号光XI91，该X轴第四返回信号光XI91被传输给第四光纤稱合器(121)。第二环形器(92)第一方面将接收到的Y轴发射信号光YG81进行Y轴方向的定向，成为Y轴定向光束YG92,该Y轴定向光束YG92被传输给第二λ/4波片(102);第二方面将接收到的Y 轴第三返回信号光yg92进行Y轴方向的定向，成为Y轴第四返回信号光XI92，该Y轴第四返回信号光XI92被传输给第五光纤稱合器(122)。第三环形器(93)第一方面将接收到的Z轴发射信号光ZG81进行Z轴方向的定向,成为 Z轴定向光束ZG93,该Z轴定向光束ZG93被传输给第三λ/4波片(103);第二方面将接收到的Z 轴第三返回信号光Zg93进行Z轴方向的定向，成为Z轴第四返回信号光XI93，该Z轴第四返回信号光XI93被传输给第六光纤稱合器(123)。第一λ/4波片(101)第一方面将接收到的X轴定向光束XG91转换为圆偏振光,得到X轴 圆偏振光XGltll输出给第一准直器(111);另一方面将接收到的X轴第二返回信号光Xgltll转换为线偏振光，得到X轴第三返回信号光Xg91。第二λ/4波片(102)第一方面将接收到的Y轴定向光束YG92转换为圆偏振光，得到Y轴 圆偏振光YGltl2输出给第二准直器(112);另一方面将接收到的Y轴第二返回信号光yg1(12转换为线偏振光，得到Y轴第三返回信号光yg92。
第三λ/4波片(103)第一方面将接收到的Z轴定向光束ZG93转换为圆偏振光，得到Z轴圆偏振光ZGltl3输出给第三准直器(113);第二方面将接收到的Z轴第二返回信号光Zgltl3转换为线偏振光，得到Z轴第三返回信号光zg93。
第一准直器(111)第一方面将接收到的X轴圆偏振光XGltll进行扩束准直为X轴探测光XG111,该X轴探测光XG111照射在目标上；照射到目标上的X轴探测光XG111经反射、背向散射成为X轴第一返回信号光Xg111 ;第二方面将接收到的X轴第一返回信号光Xg111进行聚焦率禹合输出X轴第二返回信号光Xgicu给第一λ/4波片(101)。第二准直器(112)第一方面将接收到的Y轴圆偏振光YGltl2进行扩束准直为Y轴探测光YG112,该Y轴探测光YG112照射在目标上；照射到目标上的Y轴探测光YG112经反射、背向散射成为Y轴第一返回信号光yg112 ;第二方面将接收到的Y轴第一返回信号光yg112进行聚焦耦合输出Y轴第二返回信号光yg1(12给第二λ/4波片(102)。
第三准直器(113)第一方面将接收到的Z轴圆偏振光ZGltl3进行扩束准直为Z轴探测光ZG113,该Z轴探测光ZG113照射在目标上；照射到目标上的Z轴探测光ZG113经反射、背向散射成为Z轴第一返回信号光Zg113 ;第二方面将接收到的Z轴第一返回信号光Zg113进行聚焦率禹合输出Z轴第二返回信号光Zgltl3给第三λ/4波片(103)。所述接收部分包括有窄线宽激光器(I)、第一光纤稱合器(2)、λ/4波片(7)、第三光纤率禹 合器(82)、第一环形器(91)、第二环形器(92)、第三环形器(93)、第λ/4波片(101)、第二λ/4波片(102)、第三λ/4波片(103)、第一准直器(111)、第二准直器(112)、第三准直器(113)、第四 光纤賴合器(121)、第五光纤賴合器(122)、第六光纤賴合器(123)、第一光电探测器(131)、第二光电探测器(132)、第三光电探测器(133);其光信息传输为 窄线宽激光器(I)用于输出三角波频率调制的窄线宽激光I1给第一光纤耦合器(2)； 第一光纤耦合器(2)将接收到的窄线宽激光I1按照功率进行分光，分为第一发射信号光IA2和第一本振光IB2 ;第一发射信号光IA2输出给隔离器(3);第一本振光IB2输出给λ/2波片(7)。λ/2波片(7)将接收到的第一本振光IB2进行相位的变换，输出第二本振光G7给第三光纤耦合器(82)。
第三光纤耦合器(82)将接收到的第二本振光G7按照功率进行分光,分为X轴本振光XG82, Y轴本振光YG82和Z轴本振光ZG82 ；X轴本振光XG82输出给第四耦合器(121 )，Y轴本振光YG82输出给第五耦合器(122), Z轴本振光ZG82输出给第六耦合器(123)。所述X轴本振光XG82占有第二本振光G7的功率的1/3，所述Y轴本振光YG82占有第二本 振光G7的功率的1/3，所述Z轴本振光ZG82占有第二本振光G7的功率的1/3第一环形器(91)第一方面将接收到的X轴发射信号光XG81进行X轴方向的定向,成为 X轴定向光束XG91,该X轴定向光束XG91被传输给第一λ/4波片(101);第二方面将接收到的X 轴第三返回信号光Xg91进行X轴方向的定向，成为X轴第四返回信号光XI91，该X轴第四返回信号光XI91被传输给第四光纤耦合器(121)。第二环形器(92)第一方面将接收到的Y轴发射信号光YG81进行Y轴方向的定向，成为Y轴定向光束YG92,该Y轴定向光束YG92被传输给第二λ/4波片(102);第二方面将接收到的Y轴第三返回信号光yg92进行Y轴方向的定向，成为Y轴第四返回信号光XI92，该Y轴第四返回信号光XI92被传输给第五光纤耦合器(122)。第三环形器(93)第一方面将接收到的Z轴发射信号光ZG81进行Z轴方向的定向,成为Z轴定向光束ZG93,该Z轴定向光束ZG93被传输给第三λ/4波片(103);第二方面将接收到的Z 轴第三返回信号光Zg93进行Z轴方向的定向，成为Z轴第四返回信号光XI93，该Z轴第四返回信号光XI93被传输给第六光纤耦合器(123)。
第一λ/4波片(101)第一方面将接收到的X轴定向光束XG91转换为圆偏振光，得到X轴圆偏振光XGltll输出给第一准直器(111);另一方面将接收到的X轴第二返回信号光Xgltll转换为线偏振光，得到X轴第三返回信号光Xg91。第二λ/4波片(102)第一方面将接收到的Y轴定向光束YG92转换为圆偏振光，得到Y轴圆偏振光YGltl2输出给第二准直器(112);另一方面将接收到的Y轴第二返回信号光yg1(12转换为线偏振光，得到Y轴第三返回信号光yg92。
第三波片(103)第一方面将接收到的Z轴定向光束ZG93转换为圆偏振光，得到Z轴圆偏振光ZGltl3输出给第三准直器(113);第二方面将接收到的Z轴第二返回信号光Zgltl3转换为线偏振光，得到Z轴第三返回信号光zg93。
第一准直器(111)第一方面将接收到的X轴圆偏振光XGltll进行扩束准直为X轴探测光XG111,该X轴探测光XG111照射在目标上；照射到目标上的X轴探测光XG111经反射、背向散射成为X轴第一返回信号光Xg111 ;第二方面将接收到的X轴第一返回信号光Xg111进行聚焦耦合输出X轴第二返回信号光Xg皿给第一T波片(101)。
第二准直器(112)第一方面将接收到的Y轴圆偏振光YGltl2进行扩束准直为Y轴探测光YG112,该Y轴探测光YG112照射在目标上；照射到目标上的Y轴探测光YG112经反射、背向散射成为Y轴第一返回信号光yg112 ;第二方面将接收到的Y轴第一返回信号光yg112进行聚焦耦合输出Y轴第二返回信号光yg1(l2给第二T波片(102)。
第三准直器(I 13)第一方面将接收到的Z轴圆偏振光ZGltl3进行扩束准直为Z轴探测光ZG113,该Z轴探测光ZG113照射在目标上；照射到目标上的Z轴探测光ZG113经反射、背向散射成为Z轴第一返回信号光Zg113 ;第二方面将接收到的Z轴第一返回信号光Zg113进行聚焦耦合输出Z轴第二返回信号光Zgltl3给第三Τ波片(103)。
第四光纤耦合器(121)将接收到的X轴本振光XG82和X轴第四返回信号光XI91进行耦合，形成光学拍，输出X轴拍频信号光XG121给第一光电探测器(131)。
第五光纤耦合器(122)将接收到的Y轴本振光YG82和Y轴第四返回信号光XI92进行耦合，形成光学拍，输出Y轴拍频信号光YG122给第二光电探测器(132)。
第六光纤耦合器(123)将接收到的Z轴本振光ZG82和Z轴第四返回信号光XI93进行耦合，形成光学拍，输出Z轴拍频信号光ZG123给第三光电探测器(133)。
第一光电探测器(131)将接收到的X轴拍频信号光XG121转化为X轴电压信号Vx输出给信号处理及控制部分(14)。
第二光电探测器(132)将接收到的Y轴拍频信号光YG122转化为Y轴电压信号Vy输出给信号处理及控制部分(14)。
第三光电探测器(133)将接收到的Z轴拍频信号光ZG123转化为Z轴电压信号Vz输出给信号处理及控制部分(14)。
2.根据权利要求1所述的一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达，其特征在于所述窄线宽激光器(I)输出的窄线宽激光I1的波长为1550nm。
3.根据权利要求1所述的一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达，其特征在于所述第一发射信号光IA2占有窄线宽激光I1的功率的90%,所述第一本振光IB2占有窄线宽激光I1的功率的10%。
4.根据权利要求1所述的一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达，其特征在于第二光纤耦合器(81)、第三光纤耦合器(82)、第一环形器(91)、第二环形器(92)、第三环形 器(93)、第一一波片(101)、第二一波片(102)、第三一波片(103)、第一准直器(111)、第二准直器(112)、第三准直器(113)、第四光纤耦合器(121)、第五光纤耦合器(122)、第六光纤耦合器(123)、第一光电探测器(131)、第二光电探测器(132)和第三光电探测器(133)构成三波束光信息传输单兀。
5.根据权利要求1所述的一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达，其特征在于信号处理及控制部分(14)中内嵌有三个准直器所指方向的速度和距离的解调模型； 所述的三个准直器所指方向的速度和距离解调模型第一方面用于接收第一光电探测器(131)输出的X轴电压信号Vx、第二光电探测器(132)输出的Y轴电压信号VY、第三光电探测器(133)输出的Z轴电压信号Vz ;第二方面对接收到的X轴电压信号VX、Y轴电压信号Vy和Z轴电压信号Vz采用径向运动速度关系和距离与频率调制周期关系进行解调，得到准直器的指向方向速度和距离；其中 X轴方向距离为
6.根据权利要求1所述的一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达，其特征在于三个准直器的安装角关系为第一准直器(111)的天顶角axS45°，方位角PxS 150° ；第二准直器(112)的天顶角ciY为45°，方位角0yS3O° ;第三准直器(113)的天顶角Ciz为45°，方位角^为-30°。
7.根据权利要求1所述的一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达，其特征在于该三波束全光纤相干调频连续波激光雷达为相干探测方式。
全文摘要
本发明公开了一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达，该激光雷达的发射和接收部分采用全光纤光路，利用光纤作为激光的传输和接收光路，可以使光源和探测器远离恶劣的外界探测环境，并且具有结构简单、质量轻等优点；利用三波束对目标进行照射，能够同时解调出三维速度和距离信息，解决摇摆带来的动态误差。该激光雷达经光源出射的光束被第一耦合器分成两种光束传输，后经第二耦合器与环形器分成X轴、Y轴和Z轴的光束传输，致使照射到目标后的光束具有空间坐标系下的三轴光束特性。本发明设计的激光雷达为相干探测方式，其采用三角波调频连续波体制，可以同时探测距离和速度信息，避免了脉冲体制的距离速度分辨率相互制约的问题，实现了无盲区高精度测量。本发明可在不因激光器存在差异而引入频率误差的情况下，同时测量三维速度和距离，得出探测器姿态，且降低动态误差2～3个数量级。
文档编号G01S17/02GK103048662SQ20121055146
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月18日 优先权日2012年12月18日
发明者林志立, 欧攀, 范哲, 李茳, 孙鸣捷, 张春熹 申请人:北京航空航天大学