基于类噪声脉冲的高空间分辨率探测系统及探测方法与流程

本发明属于激光测距领域，更具体地，涉及一种基于类噪声脉冲的高空间分辨率探测系统及探测方法，利用被动锁模光纤激光器中输出的类噪声脉冲实现光纤内的光时域反射仪技术以及空间光测距，在激光测距、光纤传感等领域具有很高的应用价值。

背景技术：

激光作为二十世纪的重大发明，不断推动着基础科学的前沿探索。随着智能技术的蓬勃发展，激光测距技术在自动驾驶汽车，无人机，机器人以及监控等应用中发挥着重要的作用；以其优越的检测范围、精度、空间分辨率以及对天气和照明条件的较少限制来感知周围环境，激光测距有望用于3d成像，对象跟踪，识别以及同时定位和映射等功能。

如今，激光测距技术作为一种基本测量手段，应用非常广泛。例如，脉冲飞行时间测距是利用激光脉冲持续时间极短、能量在时间上相对集中、瞬时功率很大的特点，在平均发射激光功率小于1mw条件下，能够实现较长距离的测量。

单脉冲飞行时间激光测距技术就是其中一种测距方法，通过测量从脉冲发射经过目标后再返回到光电探测器的这段时间间隔来计算距离。虽然可以采用传统的相位法进行测距，即通过测量发射高频调强波与返回高频调强波之间的相位差来确定时间间隔，但是采用脉冲飞行时间原理可以达到很高的测量速度，这是因为采用脉冲飞行时间原理测量只需要发射一个脉冲，即单发脉冲，且测距精度可以达到厘米级。

光时域反射仪(otdr)技术就是脉冲飞行时间法测距的一种应用，采用瑞利散射和菲涅尔反向原理制作而成。通过发射光脉冲到光纤内，然后在otdr端口接收返回的信息来进行。当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接合点、弯曲或其它类似的事件而产生散射、反射。其中一部分的散射和反射就会返回到otdr中。返回的有用信息由otdr的探测器来测量，它们就作为光纤内不同位置上的时间或曲线片断。从发射信号到返回信号所用的时间，再确定光在玻璃物质中的速度，就可以计算出距离。

但是，脉冲飞行时间法测距也存在着一些问题，测量的动态范围和精度会受到一定的限制，在需要高精度测量的领域很受限。

除了脉冲飞行时间法测距，脉冲编码调制也是一种为获得精确测距结果的方法，基本方法是将一个时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信号。脉冲编码调制就是对模拟信号先抽样，再对样值幅度量化，编码的过程。

通俗的解释脉冲编码调制就是：使用模数转换器以一定的频率(采样率，如8khz等)和一定的采样位深度(位深，如8位、12位、24位等)对原始信号进行采集和模数转换，得到的数据即为相应的数字信号。其中，经抽样后的模拟信号应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。

但是，脉冲编码调制也同样存在着一些问题，比如成本高、模数转换系统复杂等，在激光测距领域中很难实现普及。

此外，还可以采用随机信号作为测距信号，它需要随机码发生器和电光调制器，但随机码的码率和调制速率受电子带宽瓶颈的限制，且随机信号的码长是有限的，在长距离测量中对一个目标会产生多个测量结果(即测距雷达中的虚警问题)。

对于上述的随机信号，可以采用光纤激光器中产生的类噪声脉冲作为探测光源，利用其非周期性和不可预测性的优点，消除了脉冲和传统激光测距中可能存在的干扰。

类噪声脉冲相当于是一种混沌光，其典型特征在于：一个较宽的波包，波包内部具有脉冲宽度和脉冲峰值功率随机变化的飞秒脉冲结构；宽而平滑的光谱；低时域相干性，类噪声脉冲的脉冲宽度(波包宽度)一般由抽运功率决定，可以从皮秒变化至纳秒量级。

由于类噪声脉冲是一个包含许多随机演化的超短脉冲集合而成的波包，可利用信号光与探测光通过互相关技术，获得精确度很高的探测结果。相比较传统锁模脉冲的自相关图形只提供了一个脉宽信息，类噪声脉冲的无背景强度自相关曲线提供了基底、尖峰两个脉宽信息以及尖峰和基底的高度比信息。

与前文所述的几种激光测距方法相比，若将类噪声脉冲作为光源用于光纤故障检测的光时域反射仪(otdr)，类噪声脉冲由于其混沌性，作为探测光源时，抗干扰性很强，且不需要进行调制编码，系统简单。此外，类噪声脉冲是由被动锁模光纤激光器中产生，整个系统为全光纤结构，相比于半导体光源而言，具有光束质量好、结构紧凑、效率高，稳定性好等特点，是代替半导体激光器作为激光测距光源的优良之选，很有研究意义。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于类噪声脉冲的高空间分辨率探测系统及探测方法，通过被动锁模光纤激光器中产生的类噪声脉冲来实现对待测目标(如待测光纤)的探测，可在光纤内的光时域反射仪技术以及空间光测距中，获得更高精度的探测结果，由此解决传统技术不能兼顾测量距离和测量精度的技术问题。本发明利用被动锁模光纤激光器中产生的类噪声脉冲作为测量信号，用于光纤内部的光时域反射仪技术以及空间光测距，是一种精密的测量技术，其优点在于，类噪声脉冲作为一种混沌光源，其光强、波长和相位在时域上不再是稳态，而是类似噪声的随机变化，是一个包含许多随机演化的超短脉冲集合而成的波包，具有高能量、低相干的特点。并且，本发明还通过对各个功能模块的内部组件，以及各个组件之间的连接关系及相应的配合工作方式等进行改进，采用全光纤结构，具有光束质量好、抗干扰能力强、结构简单紧凑、成本低廉、调节简便、效率高、稳定性好等优势。本发明利用参考光脉冲与探测光脉冲通过互相关算法，获得精确的测量结果，在激光雷达、光纤传感等领域具有很高的应用价值。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于类噪声脉冲的探测系统，其特征在于，包括脉冲产生模块(1)、脉冲探测模块(2)以及数据处理模块(3)，其中，

所述脉冲产生模块(1)用于利用被动锁模光纤激光器产生类噪声脉冲，该被动锁模光纤激光器包括第一光耦合器(11)，通过该第一光耦合器(11)输出所述类噪声脉冲作为探测光源；

所述脉冲探测模块(2)用于通过第二光耦合器(13)将作为探测光源的所述类噪声脉冲分为探测光脉冲和参考光脉冲，并通过光环形器(14)将所述探测光脉冲输入到待测目标中实施探测；

所述数据处理模块(3)用于通过第一光电探测器(16)和第二光电探测器(17)分别接收所述参考光脉冲以及经过所述待测目标后的探测光脉冲，所述第一光电探测器(16)和所述第二光电探测器(17)均用于将光信号转换成电信号，再由数据采集设备(18)采集这些电信号，最后再利用互相关算法处理从而得到对目标的探测结果。

作为本发明的进一步优选，对于所述数据处理模块(3)，其中的所述数据采集设备(18)是先对采集到的电信号进行去噪处理，再利用互相关算法处理。

作为本发明的进一步优选，所述脉冲产生模块(1)包括被动锁模光纤激光器，该被动锁模光纤激光器包括串联连接形成回路的能量注入组件(4)、锁模器件(5)、第一光耦合器(11)和光隔离器(12)。

作为本发明的进一步优选，所述能量注入组件(4)包括第一泵浦源(6)、第二泵浦源(7)、第一波分复用器(8)、第二波分复用器(9)以及掺铒光纤(10)，其中，所述第一泵浦源(6)通过所述第一波分复用器(8)与所述掺铒光纤(10)的一端相连，所述第二泵浦源(7)通过所述第二波分复用器(9)与所述掺铒光纤(10)的另一端相连，从而将所述第一泵浦源(6)和所述第二泵浦源(7)的能量耦合进该被动锁模光纤激光器的激光腔中。

作为本发明的进一步优选，所述脉冲探测模块(2)通过所述第一光耦合器(11)相连，进而与所述脉冲产生模块(1)相连。

作为本发明的进一步优选，所述第一光电探测器(16)与所述第二光耦合器(13)相连，用于接收所述参考光脉冲；

所述第二光电探测器(17)与所述光环形器(14)相连，用于接收经过所述待测目标后的探测光脉冲；所述待测目标优选为待测光纤(15)。

按照本发明的另一方面，本发明提供了一种基于类噪声脉冲的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)搭建被动锁模光纤激光器，并使其输出类噪声脉冲；

(2)通过第二光耦合器，将所述类噪声脉冲分为探测光脉冲与参考光脉冲；

(3)将所述探测光脉冲经光环形器输入到待测目标中；

(4)由第一光电探测器接收所述参考光脉冲，由第二光电探测器接收由所述待测目标反射回的所述探测光脉冲，并将两者转换为电信号；

(5)通过数据采集设备采集电信号中的数据，采用互相关算法，进而获得探测结果。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于采用被动锁模光纤激光器中产生的类噪声脉冲作为探测光信号，能够取得下列有益的效果：

1、以类噪声脉冲作为探测信号，由于类噪声是一个幅值和相位随机演化的波包，具有很强的抗干扰能力，所以在进行探测时拥有很高的探测精度，且探测精度与距离无关，能够解决传统技术不能兼顾探测距离和探测精度的问题。

2、全光纤结构，具有光束质量好、抗干扰能力强、结构简单紧凑、成本低廉、调节简便、效率高、稳定性好等优势。在进行otdr测距时，可以高效的将类噪声耦合进待测光纤等待测目标，比采用半导体激光器作为光源的损耗小了很多。

3、利用类噪声脉冲作为探测光，成本较于对每种测距仪的测距信号进行唯一编码的方法低了很多，而且维修起来比较容易。

4、对探测光脉冲与信号光脉冲采用互相关算法，由于互相关算法可以通过两个相同信号的不同时间延迟，在得到的探测曲线上显现出一个很窄的峰，能够获得很高精度的探测结果。

本发明利用被动锁模光纤激光器中产生的类噪声脉冲来实现光纤中高精度的光时域反射仪的技术；具体的，本发明利用锁模器件在被动锁模光纤激光器中产生类噪声脉冲；将输出光脉冲分成参考光和探测光，探测光经光环形器输入到诸如待测光纤中；然后由光电探测器接收参考光脉冲和经待测单模光纤反射回的探测光脉冲，并将其转换为电信号，再由数据采集设备采集数据；最后可以通过计算机采用互相关算法，获取精确的探测结果。

本发明利用能量注入部分、锁模器件、第一光耦合器和光隔离器构建脉冲产生模块，构建了一个被动锁模光纤激光器，用于产生类噪声脉冲；通过锁模器件实现锁模，进而产生类噪声脉冲；并且，利用能量注入组件，可将泵浦源的能量耦合进激光腔内(该激光腔即整个光纤激光器的环形谐振腔)。本发明中的脉冲探测模块由第二光耦合器、光环形器和待测目标(如待测光纤)构成。利用脉冲产生模块发射出的类噪声脉冲，经第二光耦合器分为参考光脉冲与探测光脉冲，通过光环形器将探测光脉冲输入到待测光纤中实施探测。本发明利用数据采集设备采集探测到的信息，优选先进行去噪处理，再通过互相关算法，获得对目标高精度的探测结果；即，由两个光电探测器分别接收参考光脉冲与探测光脉冲，并转换为电信号，由数据采集设备对其进行数据采集，然后可以利用计算机通过互相关算法，实现高精度的测量结果。本发明利用类噪声脉冲实现脉冲互相关测距，可以获得精确的探测结果。

如今的otdr测距以及空间光测距都是采用的半导体激光器，这也是研究学者们关注的重点，其中，利用半导体激光器输出的混沌光进行测距是一种很精确的测量方式；而本发明所利用的光纤激光器中输出的类噪声，由于自身幅值、相位的随机性，在传输过程中的抗干扰能力强，当这些类噪声脉冲应用于测距时，对其采用互相关算法，可以获得很高的探测精度，克服了传统测距中不能兼顾探测距离和探测精度的问题。

综上，本发明首次提出了利用类噪声脉冲的互相关算法进行测距的方法，相应给出了一种测距方法及一种测距系统，能够得到高的探测精度。本发明通过光纤激光器中产生的类噪声信号，替换现有技术中利用半导体激光器产生的混沌光，可以实现结构简单、全光纤结构、调试方便等等优势。

附图说明

图1是系统总框图。

图2是脉冲产生模块。

图3是脉冲探测模块。

图4是数据处理模块。

图5是系统简图。

图中各附图标记的含义如下：

1为脉冲产生模块，2为脉冲探测模块，3为数据处理模块，4为能量注入部分(即能量注入组件)，5为锁模器件，6为第一泵浦源，7为第二泵浦源，8为第一波分复用器，9为第二波分复用器，10为掺铒光纤，11为第一光耦合器，12为光隔离器，13为第二光耦合器，14为光环形器，15为待测光纤，16为第一光电探测器，17为第二光电探测器，18为数据采集设备。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种基于类噪声脉冲的高空间分辨率探测技术，以下以待测目标为待测光纤15为例，对其进行详细介绍。本发明中基于类噪声脉冲的高空间分辨率探测技术，其具体实施过程如下：

实施过程中需要的设备与器件：两个980nm的泵浦源、两个980/1550nm波分复用器、一根掺铒光纤、一个锁模器件、一个光隔离器、一个分光比为70：30的第一光耦合器、一个分光比为50：50的第二光耦合器、一根待测光纤、两个高速光电探测器、一个光环形器、一台采样速率100gs/s的高速示波器，该高速示波器即作为数据采集设备(18)。

在脉冲产生模块(如图2)，能量注入部分(4)中，两个波分复用器(8)和(9)均有一个980nm的传输端口和两个1550nm的传输端口，两个波分复用器(8)和(9)的980nm端口分别连接两个980nm的两个泵浦源(6)和(7)，掺铒光纤(10)连接在两个波分复用器(8)与(9)的之间。

此外，锁模器件(5)、第一光耦合器(11)和光隔离器(12)按图2中的位置连接。

以上搭建了一个被动锁模光纤激光器，工作时，通过锁模器件，使其产生类噪声脉冲，用于后续的探测。

脉冲探测模块中(如图3)，第二光耦合器(13)的两个输出端口分别与光环形器(14)和第一光电探测器(16)相连，按照50：50的分光比，将50％的类噪声脉冲作为探测光脉冲输入到光环形器(14)中，然后进入到待测光纤(15)中，完成探测后经光环形器(14)输入到第二光电探测器(17)中；将另外50％的类噪声脉冲作为参考光脉冲输入到第一光电探测器(16)中。

数据处理模块中(如图4，数据处理模块除了包括光电探测器和数据采集设备外，还可以包括计算机)，两个光电探测器将所接收到的光信号转换为电信号，经数据采集设备(18)采集数据，由诸如计算机等处理器通过互相关算法，获取精确的探测结果。

鉴于测试结果，在数据处理模块中加入去除噪声的步骤，例如可以采用经验模态分解(emd)的方法，对接收到的信号进行处理，滤除其中的噪声因子，获得更精确的探测结果。

本发明中所采用的各个功能组件均可由市售购得，当然也可以采用现有技术中方法自行构建。本发明中所使用的互相关算法可以直接利用现有技术中的互相关算法(如“激光混沌信号相关法测距研究”，王云才等，《深圳大学学报理工版》，2010年第27卷第4期)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。