一种基于时间透镜效应的激光雷达装置的制作方法

本发明涉及激光，特别涉及一种基于时间透镜效应的激光雷达装置。

背景技术：

1、激光雷达技术以探测距离远、测距精度高、测量速度快等优势，在自动驾驶、智能机器人、地形测绘、大气探测等领域有着广泛的应用。在蓬勃发展的自动驾驶汽车技术推动下，激光雷达技术预期将拥有超千亿人民币的全球市场规模。

2、目前，飞行时间测试法是激光雷达技术中应用最为广泛的一种测距方法，其原理是通过测量目标物散射脉冲与发射脉冲之间的时间延迟从而计算目标的距离。主流的飞行时间测试法中多采用905nm或1550nm的脉冲激光光源作为发射端并配备雪崩光电二极管作为信号接收。相较于905nm波段的激光脉冲而言，1550nm激光脉冲具有峰值功率高、可探测距离远以及人眼安全性高等优势，因此在飞行时间测试法激光雷达测距系统中有着十分重要的地位。在采用1550nm脉冲激光的飞行时间测试法的激光雷达装置中，目标物散射信号的接收往往依赖于雪崩光电二极管。然而，由于雪崩光电二极管有限的增益制约了信号放大的能力，致使微弱信号淹没在噪声中，最终限制了激光雷达装置的测距量程。所以，如何增强从噪声中提取目标物散射信号的能力，提升接收信号的信噪比，延拓测距范围，成为了飞行时间测试法的激光雷达装置亟待解决的关键科学问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：针对飞行时间测试法的激光雷达装置中现存的技术缺陷，本发明提供一种基于时间透镜效应的激光雷达装置，旨在增强从噪声中提取目标物散射信号的能力，实现测距量程与测距分辨度的提升。

2、本发明通过以下技术方案实现：一种基于时间透镜效应的激光雷达装置，用于作为飞行时间测试法中的激光雷达装置，其包括：时间透镜系统，所述时间透镜系统设置在所述激光雷达装置的接收端，所述时间透镜系统用于在测距时将接收到的回波激光脉冲序列进行脉宽压缩和峰值功率提升。

3、本发明的进一步设置，所述时间透镜系统包括：射频信号发生模块、射频放大器、电光相位调制器以及色散介质；

4、所述射频信号发生模块与所述射频放大器连接，所述射频信号发生模块用于输出时钟同步的方波信号与正弦波信号；

5、所述射频放大器分别与所述射频信号发生模块和所述电光相位调制器连接，所述射频放大器用于功率放大所述正弦波信号，并用功率放大后的所述正弦波信号驱动所述电光相位调制器；

6、所述电光相位调制器分别与所述射频放大器和所述色散介质连接，所述色散介质用于提供色散并使所述回波激光脉冲序列时域上转化为由多个窄脉冲组成的脉冲簇；

7、其中，所述时间透镜系统根据所述电光相位调制器的调制深度以及通过数值优化得出所述色散介质的特定色散值，使所述回波激光脉冲序列转化为由多个窄脉冲组成的脉冲簇。

8、本发明的进一步设置，还包括：脉冲激光源、光纤环形器、光束收发器、光放大器、光电探测器以及高速示波器；

9、所述脉冲激光源分别与所述射频信号发生模块和所述光纤环形器连接，所述脉冲激光源用于输出激光脉冲序列；

10、所述光纤环形器具有第一出口、第二出口以及第三出口，所述第一出口与所述脉冲激光源连接，所述第二出口与所述光束收发器连接，所述第三出口与所述光放大器连接，所述光纤环形器用于将所述激光脉冲序列从所述第一出口传输至所述第二出口后送至所述光束收发器，所述光纤环形器还用于将接收到的所述回波激光脉冲序列从所述第二出口传输至所述第三出口；

11、所述光束收发器与所述第二出口连接，所述光束收发器用于扩大所述激光脉冲序列的发射端尺寸并压缩所述激光脉冲序列的发散角，并将所述激光脉冲序列照射至目标物；

12、所述光放大器分别与所述第三出口和所述电光相位调制器连接，所述光放大器用于放大所述回波激光脉冲序列的功率并将功率被放大的所述回波激光脉冲序列传输至所述电光相位调制器进行时域相位调制；

13、所述光电探测器分别与所述色散介质和所述高速示波器连接，所述光电探测器用于将所述时间透镜系统处理后的所述回波激光脉冲序列转换成射频脉冲序列；

14、所述高速示波器与所述光电探测器连接，所述高速示波器与所述射频信号发生模块时钟同步，所述高速示波器用于对所述射频脉冲序列进行观察和测量。

15、本发明的进一步设置，所述射频放大器的工作带宽为1-6ghz。

16、本发明的进一步设置，所述射频信号发生模块输出的所述方波信号的高电平电压为5v，低电平电压为0v，并且可调节所述方波信号的占空比。

17、本发明的进一步设置，所述电光相位调制器为硅基相位调制器或薄膜铌酸锂相位调制器。

18、本发明的进一步设置，所述脉冲激光源输出的所述激光脉冲序列与所述射频信号发生模块输出的所述正弦波信号时钟同步。

19、本发明的进一步设置，所述脉冲激光源输出的所述激光脉冲序列的中心波长为1550nm。

20、本发明的进一步设置，所述光束收发器为光学相控阵芯片或光学透镜。

21、本发明的进一步设置，所述光放大器为掺饵光纤放大器、铒镱共掺光纤放大器或半导体光放大器。

22、本发明的有益效果：

23、本发明提供一种基于时间透镜效应的激光雷达装置，用于作为飞行时间测试法中的激光雷达装置，包括：时间透镜系统，所述时间透镜系统设置在所述激光雷达装置的接收端，所述时间透镜系统用于在测距时将接收到的回波激光脉冲序列进行脉宽压缩和峰值功率提升。通过在激光雷达装置中设置有时间透镜系统对接收的回波激光脉冲序列进行脉宽压缩和峰值功率提升，增强激光雷达装置从噪声中提取目标物散射信号的能力，达到提升测距量程与测距分辨率的效果。

技术特征：

1.一种基于时间透镜效应的激光雷达装置，用于作为飞行时间测试法中的激光雷达装置，其特征在于，包括：时间透镜系统，所述时间透镜系统设置在所述激光雷达装置的接收端，所述时间透镜系统用于在测距时将接收到的回波激光脉冲序列进行脉宽压缩和峰值功率提升。

2.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，所述时间透镜系统包括：射频信号发生模块、射频放大器、电光相位调制器以及色散介质；

3.根据权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，还包括：

4.根据权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，所述射频放大器的工作带宽为1-6ghz。

5.根据权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，所述射频信号发生模块输出的所述方波信号的高电平电压为5v，低电平电压为0v，并且可调节所述方波信号的占空比。

6.根据权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，所述电光相位调制器为硅基相位调制器或薄膜铌酸锂相位调制器。

7.根据权利要求3所述的激光雷达装置，其特征在于，所述脉冲激光源输出的所述激光脉冲序列与所述射频信号发生模块输出的所述正弦波信号时钟同步。

8.根据权利要求3所述的激光雷达装置，其特征在于，所述脉冲激光源输出的所述激光脉冲序列的中心波长为1550nm。

9.根据权利要求3所述的激光雷达装置，其特征在于，所述光束收发器为光学相控阵芯片或光学透镜。

10.根据权利要求3所述的激光雷达装置，其特征在于，所述光放大器为掺饵光纤放大器、铒镱共掺光纤放大器或半导体光放大器。

技术总结
本发明公开了一种基于时间透镜效应的激光雷达装置，用于飞行时间测试法中，所述激光雷达装置包括：时间透镜系统、脉冲激光源、光纤环形器、光束收发器、光放大器、光电探测器以及高速示波器，所述时间透镜系统设置在所述激光雷达装置的接收端，所述时间透镜系统用于在测距时将接收到的回波激光脉冲序列进行脉宽压缩和峰值功率提升。通过在激光雷达装置中设置有时间透镜系统对接收的回波激光脉冲序列进行脉宽压缩和峰值功率提升，达到提升激光雷达装置从噪声中提取目标物散射信号的能力和测距量程的效果。

技术研发人员：谢启杰,张蓝萱,纳全鑫,张楠
受保护的技术使用者：鹏城实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11