多功能激光传感系统的制作方法

本发明属于激光传感领域，特别涉及一种多功能激光传感系统。

背景技术：

近年来，随着多种激光传感器被广泛应用于军用和民用领域，在某些特殊应用场合，迫切需要高可靠性的多个激光传感器高度集成的多功能激光系统。目前的多功能激光系统，一般是由大量光源和不同的激光传感器作为组件构成的，由于大量采用空间光器件，结构比较复杂，而且体积较大，同时涉及多个组件间光轴平行性调整问题，通常需要通过装调试验对它们的光路平行性进行调整。由于结构部件受振动、冲击、热形变等环境因素的影响，多个激光传感器间的光轴平行性会变差，甚至失调，严重制约了多功能激光系统的整体性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种不需要复杂的多光轴平行性调试，降低了系统的复杂性、成本和体积重量，可增强系统的环境适应性，提高可靠性的多功能激光传感系统。

本发明为达上述目的所采用的技术方案是：

提供一种多功能激光传感系统，包括主控计算机、前置光放大接收组件组、激光器组、光纤准直器；

主控计算机，通过电缆与光放大接收组件组、激光器组均连接；

前置光放大接收组件组，包括第一——第四前置光放大接收组件；第一、二、三前置光放大接收组件通过解复用器与第一光纤环形器连接；

激光器组，包括第一——第七激光器；第一、二、三激光器通过第一波分复用器与第一光纤环形器连接；第四、五激光器通过第二波分复用器与第三波分复用器连接；第六激光器与第三波分复用器连接；第七激光器、第四前置光放大接收组件均通过第二光纤环形器与第三波分复用器连接；

第三波分复用器与光纤准直器连接；

其中：

第一激光器和第一前置光放大接收组件组合，构成激光目标识别传感器；

第二激光器和第二前置光放大接收组件组合，构成激光通信机；

第三激光器和第三前置光放大接收组件组合，构成激光测距机；

第四激光器、第五激光器、第六激光器分别构成激光干扰传感器、红外光指示传感器、可见光指示传感器；

第七激光器和第四前置光放大接收组件组合，构成激光照射传感器。

接上述技术方案，第一、二、三激光器为1.55μm波段内的光纤耦合式的半导体激光器、光纤耦合式的固体激光器或光纤激光器中的一种，通过光纤适配器或者光纤熔接的方式连接第一波分复用器。

接上述技术方案，第四、七激光器为1μm波段内的光纤耦合式的半导体激光器、光纤耦合式的固体激光器或光纤激光器中的一种，通过光纤适配器或者光纤熔接的方式分别连接到第二波分复用器和第二光纤环形器的端口上。

接上述技术方案，第五激光器为800～1000nm红外波段内的光纤耦合式的半导体激光器、光纤耦合式的固体激光器或光纤激光器中的一种，通过光纤适配器或者光纤熔接的方式连接到第二波分复用器上。

接上述技术方案，第六激光为可见光波段内的光纤耦合式的半导体激光器、光纤耦合式的固体激光器或光纤激光器中的一种，通过光纤适配器或者光纤熔接的方式连接到第三波分复用器上。

接上述技术方案，目标识别时，第一激光器进行特殊编码后发射出去，对方接收到该特殊编码后识别目标身份，同时第一前置光放大接收组件接收外部的特殊编码信号来识别对方身份；

通信时，通过对第二激光器的输出激光信号进行通信编码后发射出去，对方接收到该通信编码后解析出对应的信息，同时第二前置光放大接收组件接收外部的通信编码信号来获取对方传递的信息；

测距时，第三激光器向被测目标发射激光脉冲，第三前置光放大接收组件接收主波和回波信号并进行距离解析，从而获得被测目标的距离信息；

照射导引时，第七激光器向被测目标发射激光脉冲，为系统提供导引信息，同时第四前置光放大接收组件接收回波信号并进行处理，获取被照射目标的距离、方位信息。

接上述技术方案，所述前置放大接收组件包括依次连接的多模光纤、可调谐带通光滤波器、可调谐光衰减器、光纤放大器和光开关；所述多模光纤一端熔接耦合球面透镜，另一端拉锥后与可调谐带通光滤波器连接；

该前置放大接收组件还包括光电探测器和综合控制电路，所述光电探测器的输入端与所述光纤放大器的输出端连接，所述光电探测器的输出端与所述综合控制电路的输入端连接；所述综合控制电路的一个输出控制端与所述可调谐光衰减器连接，另一个输出控制端与所述光纤放大器的一个输入端连接；第三个输出控制端连接所述可调谐带通光滤波器；

输入光信号通过所述球面透镜进入拉锥后多模光纤，再进入所述可调谐带通光滤波器进行滤波，滤除输入光信号中的多余背景噪声；经滤波后的光信号进入所述可调谐光衰减器进行衰减，并经过所述光纤放大器进行增益放大，经放大后的光信号再耦合进入所述光电探测器中，所述光电探测器将光信号转换为电信号；

所述综合控制电路接收来自所述光电探测器输出的电信号，并依据输入光信号的强度大小进行调节，将输入光信号的大小调节至所述光电探测器响应的正常功率范围内。

接上述技术方案，当主控计算机通过电缆分别对各个激光器进行供电，并自动检测各个激光器的工作状态是否正常，自检完成后，打开激光目标识别传感器对目标的身份进行识别，若为我方目标，打开第六激光器，然后通过激光测距机获取目标的距离信息，并利用激光通信机与我方目标进行无线激光通信；若为敌方目标，打开第五激光器，并通过激光测距机和第六激光器获取目标的距离、方位信息，同时第七激光器为系统提供导引信息，再利用第四激光器对敌方目标进行激光干扰。

本发明产生的有益效果是：本发明的多功能激光传感系统，内部通过光纤柔性连接，实现对激光测距、激光通信、激光目标识别、激光干扰、激光照射、红外光指示和可见光指示等传感器的共光路集成设计，不需要复杂的多光轴平行性调试，不仅降低了系统的复杂性、成本和体积重量，而且增强了系统的环境适应性，可靠性高，可广泛应用于需要多功能集成的光电系统。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例多功能激光传感系统的结构示意图；

图2是本发明实施例前置光放大接收组件的结构示意图。

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。

如图1所示，本发明实施例的多功能激光传感系统701包括激光器101～107、前置光放大接收组件201～204、3×1解复用器301、3×1波分复用器302、2×1波分复用器303、4×1波分复用器304、三端口光纤环形器401与402、光纤准直器501、电缆001～011以及主控计算机601。

激光器101～103，可为1.55μm波段内的光纤耦合式的半导体激光器、光纤耦合式的固体激光器或光纤激光器中的一种，可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式连接到3×1波分复用器302上；

激光器104和107，可为1μm波段内的光纤耦合式的半导体激光器、光纤耦合式的固体激光器或光纤激光器中的一种，可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式分别连接到2×1波分复用器303和三端口光纤环形器402的第一端口上；激光器104为激光干扰传感器，用于对来袭目标的干扰；

激光器105，可为800～1000nm波段内的光纤耦合式的半导体激光器、光纤耦合式的固体激光器或光纤激光器中的一种，用于红外光指示，可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式连接到2×1波分复用器303上；

激光器106，可为可见光波段内的光纤耦合式的半导体激光器、光纤耦合式的固体激光器或光纤激光器中的一种，用于可见光指示，可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式连接到4×1波分复用器304上。

激光器101和前置光放大接收组件201组合，构成激光目标识别传感器，具体地，通过对激光器101的输出激光信号进行事先约定的特殊编码后并发射出去，对方接收到该编码后的激光信号可以识别目标身份，同时前置光放大接收组件201也可以接收外部的事先约定的特殊编码激光信号来识别对方身份；

激光器102，可为中心波长为1.55μm的光纤耦合式的半导体激光器、光纤耦合式的固体激光器或光纤激光器中的一种，可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式连接到3×1波分复用器302上；

激光器102和前置光放大接收组件202组合，构成激光通信机，两者分别作为激光通信机的发射端和接收端。具体地，通过对激光器102的输出激光信号进行ook或ppm等通信编码后发射出去，对方接收到该编码后可以解析出对应的信息，同时前置光放大接收组件202也可以接收外部的通信编码信号来获取对方传递的信息；

激光器103，可为中心波长为1.57μm的光纤耦合式的半导体激光器、光纤耦合式的固体激光器或光纤激光器中的一种，可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式连接到3×1波分复用器302上；

激光器103和前置光放大接收组件203组合，构成激光测距机，两者分别作为激光测距机发射端和接收端，具体地，激光器103向被测目标发射激光脉冲，前置光放大接收组件203接收主波和回波信号并进行距离解析，从而获得被测目标的距离信息；

激光器104，可为中心波长为1030nm，重复频率为1khz～100mhz，脉宽为1ps～100fs，单脉冲能量为100μj～1j的光纤耦合式的半导体激光器、光纤耦合式的固体激光器或光纤激光器中的一种，可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式分别连接到2×1波分复用器303上，用于对来袭目标的激光干扰；

激光器105，可为中心波长为980nm、平均功率为1mw～10w的光纤耦合式的半导体激光器、光纤耦合式的固体激光器或光纤激光器中的一种，用于红外光指示，可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式连接到2×1波分复用器303上；

激光器106，可为中心波长为650nm、平均功率为1mw～10w的光纤耦合式的半导体激光器、光纤耦合式的固体激光器或光纤激光器中的一种，用于可见光指示，可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式连接到4×1波分复用器304上；

激光器107，可为中心波长为1064nm、脉宽为1ns～1μs、单脉冲能量为100μj～1j的光纤耦合式的半导体激光器、光纤耦合式的固体激光器或光纤激光器中的一种，可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式连接到三端口光纤环形器402的第一端口上；

激光器107和前置光放大接收组件204组合，构成激光照射传感器，具体地，激光器107向被测目标发射激光脉冲，为系统提供导引信息，同时前置光放大接收组件204接收回波信号并进行处理，获取被照射目标的距离、方位信息；

3×1解复用器301，在1.55μm波段内可以实现三个波长的解复用，尾纤为单模光纤或多模光纤，可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式连接到三端口光纤环形器401的第三端口上；

3×1波分复用器302，在1.55μm波段内可以实现三个波长的复用，尾纤为单模光纤或多模光纤，可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式连接到三端口光纤环形器401的第一端口上；

2×1波分复用器303，在1μm波段附近可以实现二个波长的复用，尾纤为hi1060光纤或pm980光纤或多模光纤，可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式连接到4×1波分复用器304上；

4×1波分复用器304，在400～1700nm波段内可以实现多个波长的复用，可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式连接到光纤准直器501上；

三端口光纤环形器401为1.55μm波段内的高功率光纤环形器，尾纤为单模光纤或多模光纤，其第一端口可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式连接到3×1波分复用器302上；其第二端口可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式连接到4×1波分复用器304上；其第三端口可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式连接到3×1解复用器301上；

三端口光纤环形器402为1μm波段内的高功率光纤环形器，尾纤为hi1060光纤或pm980光纤或多模光纤，其第一端口可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式连接到激光器107上；其第二端口可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式连接到4×1波分复用器304上；其第三端口可通过光纤适配器或者光纤熔接等方式连接到前置光放大接收组件204上；

光纤准直器501，是整个多功能激光传感系统的发射和接收共用窗口，其出瞳直径可为20～200mm，焦距可为30～300mm，可通过fc/apc，sc/apc，lc/apc，sma905或者光纤熔接等方式连接到4×1波分复用器304上，主要是将来自4×1波分复用器304输出的激光准直后输出，同时接收来自空间的散射光，并耦合进入4×1波分复用器304中。

电缆001～011，主要是将激光器101～107和前置光放大接收组件201～204，与主控计算机601进行连接，进行供电和通信；

主控计算机601，主要是实现对多功能激光传感系统701内各组件的监测、控制、数据传输和串口通信。

本发明的前置光放大接收组件201～204采用全光纤光路设计，其采用一端熔接耦合球面透镜，另一端拉锥的大数值孔径多模光纤作为散射回波激光信号接收器，并对尾纤式可调谐带通光滤波器、尾纤式可调谐光衰减器、光纤放大器、尾纤式光电探测器以及尾纤式光开关进行熔接处理，显著提升了该组件的可靠性与环境适应性，同时通过综合控制电路动态组合调节尾纤式可调谐光衰减器与光纤放大器，结合尾纤式光开关，确保耦合进入探测系统探测器的功率值始终处于其线性区，动态响应范围大大提升，具有稳定性好、可靠性高、结构紧凑、便于系统集成等特点。

如图2所示，1550nm的激光雷达为例，前置光放大接收组件包括一端熔接耦合球面透镜01，另一端拉锥的大数值孔径多模光纤02、尾纤式可调谐带通光滤波器03、尾纤式可调谐光衰减器04、光纤放大器05、尾纤式光电探测器06、综合控制电路07及尾纤式光开关08，可调谐带通光滤波器03、可调谐光衰减器04、光电探测器06、光开关08均可选择尾纤式的。

具体地，每个前置光放大接收组件中，球面透镜01可为半球形结构或者椭球形结构，可选择k9玻璃材料，该球形结构具有180度的视场角，最大限度地接收来自空间的散射激光信号，该实施例中主要用于接收空间的1550nm散射激光信号，通过熔接方式将其球心焦点处与105μm/125μm多模光纤端面进行耦合；

大数值孔径多模光纤02可为105μm/125μm多模光纤，数值孔径大于等于0.12，本发明的该实施例中选择0.22，其一端与球面透镜01的球心耦合，另一端进行拉锥处理，并与单模光纤(如smf28e)进行熔接，这样便于与市面上成熟的光纤元器件进行兼容，降低使用成本；

可调谐带通光滤波器03可为300～2000nm波段内的尾纤式窄带光滤波器，带宽范围可为几nm到几十nm。本发明该实施例中，波长调节范围1530～1565nm，带宽为10nm，通过光纤熔接方式，耦合到尾纤式可调谐光衰减器04上；

可调谐光衰减器04可为300～2000nm波段内的mems型或磁光型或电光型可调光衰减器中的一种，通过光纤熔接方式，耦合到光纤放大器05上。该实施例中工作波长为1550nm，衰减范围为0～80db，ttl电平直接驱动控制；

光纤放大器05，可为光纤放大器或尾纤式半导体光放大器。本发明的该实施例中选择低噪声掺铒光纤放大器，小信号放大增益达50db，通过光纤熔接方式，连接到尾纤式光电探测器06上；

光电探测器06，可为光纤耦合式的pin或apd光电二极管，或者单光子探测器，主要用于监控光纤放大器05输出光的大小，并反馈到综合控制电路07。该实施例中选择光纤耦合式pin光电二极管；

综合控制电路07，通过接收光纤耦合式pin光电二极管的监控信号，动态组合调节尾纤式可调谐光衰减器04与光纤放大器05，确保耦合进入尾纤式光开关08的功率值，满足系统要求；

尾纤式光开关08可为300～2000nm波段内的mems型或磁光型或电光型可调光开关中的一种，通过光纤熔接方式，耦合到探测系统的探测器上。本实施例中选择工作波长为1550nm的磁光型光开关，开关速度为50μs，消光比达60db，通过光纤熔接方式，耦合到探测系统的探测器上。

来自空间的散射激光信号(input端)，经球面透镜01耦合进入大数值孔径多模光纤02，经过一段拉锥区耦合进入尾纤式可调谐带通光滤波器03，该滤波器能够有效滤除多余的背景噪声，然后耦合进入尾纤式可调谐光衰减器04，该衰减器为了有效确保后端探测器因功率过高导致饱和或损坏，预先将衰减值设为40db，根据后面监控的功率大小动态调节：如果尾纤式光电探测器探测到功率值过高，继续增大衰减量，直至满足探测器的输入功率要求，此时，打开光开关，大小合适的光功率耦合到激光雷达的探测器端面；如果尾纤式光电探测器探测到功率值过低，减小衰减量，如果衰减量调节到0db，光信号仍然很小，此时打开光纤放大器直至输出满足探测器输入要求的功率值，此时，再打开光开关，大小合适的光功率耦合到激光雷达的探测器端面。这样，可以保证激光雷达系统中探测器的响应动态范围为80db+50db，即130db。而尾纤式光开关，能够最大程度地保护激光雷达系统的探测器免于功率损伤。

该综合控制电路07包括接收控制电路71、驱动温控电路72、衰减控制电路73、滤波控制电路74和主控制电路75，所述主控制电路75通过所述接收控制电路71与光电探测器06连接，通过所述驱动温控电路72与光纤放大器05连接，通过所述衰减控制电路74与所述可调谐光衰减器04连接，还通过所述滤波控制电路74与可调谐带通光滤波器03连接；

输入光信号通过所述球面透镜01进入拉锥后多模光纤02，再进入所述可调谐带通光滤波器03，所述主控制电路75控制所述滤波控制电路74调节所述可调谐带通光滤波器03的中心波长和带宽，滤除输入光信号中的多余背景噪声；经滤波后的光信号进入所述可调谐光衰减器04进行衰减，并经过所述光纤放大器05进行增益放大，经放大后的光信号再耦合进入所述光电探测器06中，所述光电探测器06将光信号转换为电信号；所述接收控制电路71接收来自所述光电探测器06输出的电信号，进行低噪声放大，并对所述光电探测器06进行增益控制，同时与所述主控制电路75进行通信。

综合控制电路07自动调节的过程为：

如果输入光信号超过一定强度，所述主控制电路75分别通过所述衰减控制电路73、所述驱动温控电路74与所述接收控制电路71进行组合调节，增大所述可调谐光衰减器04的衰减倍数，降低所述光纤放大器05的放大增益，同时降低所述光电探测器06的增益大小，最终将输入光信号的大小降低至所述光电探测器06响应的正常功率范围内；

如果输入光信号未达到一定强度，主控制电路75分别通过所述驱动温控电路75与所述接收控制电路71进行组合调节，增大所述光纤放大器06的放大增益和所述光电探测器06的增益大小，最终将输入光信号的大小提升至所述光电探测器06响应的正常功率范围内。

本发明的工作过程如下：

当主控计算机601接收到系统的请求启动指令后，首先通过电缆001～011分别对各个激光传感器组件进行供电，并自动检测各个激光传感器的工作状态是否正常，自检完成后，打开激光目标识别传感器，对目标的身份进行识别，若为我方目标，打开可见光指示器，然后通过激光测距机获取目标的距离信息，并利用激光通信机与我方目标进行无线激光通信；若为敌方目标，可打开红外光指示器并通过激光测距机和激光照射器获取目标的距离、方位信息，同时为系统提供导引信息，再利用激光干扰传感器对敌方目标进行激光干扰，所有工作流程由主控计算机自动完成，结合多功能激光传感系统本身的高可靠性，将大大增强我方在对抗条件下的生存能力。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。