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连续波全光纤相干多普勒激光测速雷达光学噪声的抑制系统和方法

阅读：855发布：2020-05-11

专利汇可以提供连续波全光纤相干多普勒激光测速雷达光学噪声的抑制系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于激光测速雷达技术领域，具体涉及连续波全光纤相干多普勒激光测速雷达光学噪声的抑制系统，采用1/4波片和光纤偏振分束器实现回波信号光偏振态的旋转和筛选；光纤环形器或偏振分束器的第二端口的APC端面镀膜降低端面反射，从而减少干扰；采用平衡探测器降低本振光相对强度噪声，本发明还提供了基于上述系统的抑制方法，从而降低连续波全光纤激光相干多普勒测速雷达中光纤端面、环形器端口泄露光引起的附加噪声，从而提高信噪比，保证系统检测精度。，下面是连续波全光纤相干多普勒激光测速雷达光学噪声的抑制系统和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.全光纤连续相干多普勒激光测速雷达光学噪声的抑制系统，其特征在于，包括窄线宽激光器、第一耦合器、偏振分束器，第二耦合器、准直器、1/4波片、扩束系统，探测目标和信号处理单元，所述窄线宽激光器连接所述第一耦合器的输入端，所述第一耦合器的第一输出端通过放大器与所述偏振分束器第一端口相连，所述偏振分束器与所述探测目标之间依次设置所述准直器、所述1/4波片和所述扩束系统，所述偏振分束器的第二端口的APC端面镀有抗反射膜，所述偏振分束器的第三端口与所述第二耦合器相连，所述1/4波片的快轴与偏振方向呈45度夹角设置，所述第一耦合器的第二输出端亦与所述第二耦合器相连，所述第二耦合器通过平衡探测器连接所述信号处理单元。
2.根据权利要求1所述的全光纤连续相干多普勒激光测速雷达光学噪声的抑制系统，其特征在于，所述窄线宽激光器为分布式反馈激光器、分布布拉格反射激光器、外腔半导体激光器中的一种。
3.根据权利要求1所述的全光纤连续相干多普勒激光测速雷达光学噪声的抑制系统，其特征在于，所述放大器为掺饵光纤放大器，所述第一耦合器为高分比光纤耦合器，所述第二耦合器为3dB光纤耦合器。
4.全光纤连续相干多普勒激光测速雷达的光学噪声的抑制方法，基于权利要求1-3任一项所述的装置的抑制方法，其特征在于，具体步骤包括：
S1，窄线宽激光器发出窄线宽连续激光被第一耦合器分为本振光和种子光，
S2，步骤S1中的种子光经过放大器放大，作为探测光注入经过偏振分束器的第一端口，所述偏振分束器的第二端口的APC端面镀有抗反射膜，
S3，经过快轴与偏振方向呈45度夹角的1/4波片转变为圆偏振光，通过扩束系统7射向待测目标后返回，
S4，携带有探测目标信息的背向散射光再次经过所述1/4波片转变为线偏振光，所述线偏振光偏振方向将与所述探测光的偏振方向垂直，
S5，步骤S4中的线偏振光从所述偏振分束器的第二端口注入，并从所述偏振分束器的第三端口射出，获得信号光，
S6，步骤S5中的信号光和本振光混合并送入平衡探测器进行探测，所述平衡探测器输出的差频信号送至信号处理单元进行处理。
5.全光纤连续相干多普勒激光测速雷达光学噪声的抑制系统，其特征在于，包括窄线宽激光器、第一耦合器、光纤环形器、偏振分束器，第二耦合器、准直器、1/4波片、扩束系统，探测目标和信号处理单元，所述窄线宽激光器连接所述第一耦合器的输入端，所述第一耦合器的第一输出端通过放大器与所述光纤环形器的第一端口相连，所述光纤环形器与所述探测目标之间依次设置所述准直器、所述1/4波片和所述扩束系统，所述光纤环形器的第二端口的APC端面镀有抗反射膜，所述光纤环形器的第三端口通过所述偏振分束器与所述第二耦合器相连，所述1/4波片的快轴与偏振方向呈45度夹角设置，所述第一耦合器的第二输出端亦与所述第二耦合器相连，所述第二耦合器通过平衡探测器连接所述信号处理单元。
6.根据权利要求5所述的全光纤连续相干多普勒激光测速雷达光学噪声的抑制系统，其特征在于，所述窄线宽激光器为分布式反馈激光器、分布布拉格反射激光器、外腔半导体激光器中的一种。
7.根据权利要求5所述的全光纤连续相干多普勒激光测速雷达光学噪声的抑制系统，其特征在于，所述放大器为掺饵光纤放大器，所述第一耦合器为高分比光纤耦合器，所述第二耦合器为3dB光纤耦合器。
8.全光纤连续相干多普勒激光测速雷达的光学噪声的抑制方法，基于权利要求5-7任一项所述的装置的抑制方法，其特征在于，具体步骤包括：
S1，窄线宽激光器发出窄线宽连续激光被第一耦合器分为本振光和种子光，
S2，步骤S1中的种子光经过放大器放大，作为探测光注入经过光纤环形器的第一端口，所述光纤环形器的第二端口的APC端面镀有抗反射膜，
S3，经过快轴与偏振方向呈45度夹角的1/4波片转变为圆偏振光，通过扩束系统7射向待测目标后返回，
S4，携带有探测目标信息的背向散射光再次经过所述1/4波片转变为线偏振光，所述线偏振光偏振方向将与所述探测光的偏振方向垂直，
S5，步骤S4中的线偏振光从所述光纤环形器的第二端口注入，并从所述光纤环形器的第三端口射出，获得信号光，
S6，步骤S5中的信号光通过偏振分束器和本振光混合并送入平衡探测器进行探测，所述平衡探测器输出的差频信号送至信号处理单元进行处理。

说明书全文

连续波全光纤相干多普勒激光测速雷达光学噪声的抑制系统

和方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光测速雷达技术领域，具体涉及连续波全光纤相干多普勒激光测速雷达光学噪声的抑制系统和方法。

背景技术

[0002] 近年来激光测速雷达技术有很大的发展，具体应用领域包括激光测风、激光液体测速、无人驾驶用激光雷达等。为实现以上功能，被广泛运用的技术基础包括多普勒测速技术、光学相干测量技术以及全光纤光路结构。其中，多普勒测速技术基于光源与目标相对运动产生激光频移的原理，通过测量激光频率的移动量反推得到目标与光源的相对运动速度；光学相干测量则是一种获知具体多普勒频移量的方法，利用本振光与携带了多普勒频移信息的信号光进行相干探测，通过测量差频信息来获知多普勒频移量，该方法由于可采用较强的本振光，能实现对微弱信号的放大效果，尤其是采用平衡探测器时可降低本振光相对强度噪声，从而特别适合于微弱信号光的检测；最后，由于具备结构稳定的显著优点，全光纤结构也已被广泛运用于此类设备中。

[0003] 作为微弱信号光检测的典型例子，激光测风雷达，包括连续光与脉冲光激光测风雷达通过检测大气中气溶胶粒子对探测光的背向散射中所携带的多普勒信息来实现对风场大小与方向的测量。由于大气气溶胶粒子引起的背向散射系数极低，系统对微弱信号光多普勒信息的提取能力显得尤为关键。解决以上问题的关键在于提升信号的信噪比。目前一般从两方面着手，其一设法增加信号光功率，其二则为减少测量过程中的噪声。除以上提到的本振光相对强度噪声之外，相干多普勒激光测速雷达，尤其是连续波全光纤激光相干多普勒测速雷达还面临一类重要的噪声来源，如系统光纤端面反射光及部分光路泄露光引入的相干噪声。

[0004] 现有技术中，光纤激光雷达由光纤耦合的MOPA-SL光源、环形器、内联偏振控制器和光电探测器组成。环形器2端口的PC端涂有抗反射涂层(<0.25％)以获得合适功率的本振光，由于该方案中，本振光已与信号光提前混合并从同一光路返回，故难以采用平衡探测方案降低强本振光带来的光学强度噪声，影响了系统信噪比的进一步提升。

发明内容

[0005] 针对上述不足，本发明提供了连续波全光纤相干多普勒激光测速雷达光学噪声的抑制系统和方法，本发明利用光的偏振特征、端面镀膜技术以及平衡探测技术，降低连续波全光纤激光相干多普勒测速雷达中光纤端面、环形器端口泄露光引起的附加噪声，从而提高信噪比，保证系统检测精度。

[0006] 为实现以上技术目的，本发明的一个技术方案是：

[0007] 全光纤连续相干多普勒激光测速雷达光学噪声的抑制系统，包括窄线宽激光器、第一耦合器、偏振分束器，第二耦合器、准直器、1/4波片、扩束系统，探测目标和信号处理单元，所述窄线宽激光器连接所述第一耦合器的输入端，所述第一耦合器的第一输出端通过放大器与所述偏振分束器第一端口相连，所述偏振分束器与所述探测目标之间依次设置所述准直器、所述1/4波片和所述扩束系统，所述偏振分束器的第二端口的APC端面镀有抗反射膜，所述偏振分束器的第三端口与所述第二耦合器相连，所述1/4波片的快轴与偏振方向呈45度夹角设置，所述第一耦合器的第二输出端亦与所述第二耦合器相连，所述第二耦合器通过平衡探测器连接所述信号处理单元。

[0008] 进一步，所述窄线宽激光器为分布式反馈激光器、分布布拉格反射激光器、外腔半导体激光器中的一种。

[0009] 进一步，所述放大器为掺饵光纤放大器，所述第一耦合器为高分比光纤耦合器，所述第二耦合器为3dB光纤耦合器。

[0010] 基于上述的系统，本发明相应提供了全光纤连续相干多普勒激光测速雷达的光学噪声的抑制方法，具体步骤包括：

[0011] S1，窄线宽激光器发出窄线宽连续激光被第一耦合器分为本振光和种子光，[0012] S2，步骤S1中的种子光经过放大器放大，作为探测光注入经过偏振分束器的第一端口，所述偏振分束器的第二端口的APC端面镀有抗反射膜，

[0013] S3，经过快轴与偏振方向呈45度夹角的1/4波片转变为圆偏振光，通过扩束系统射向待测目标后返回，

[0014] S4，携带有探测目标信息的背向散射光再次经过所述1/4波片转变为线偏振光，所述线偏振光偏振方向将与所述探测光的偏振方向垂直，

[0015] S5，步骤S4中的线偏振光从所述偏振分束器的第二端口注入，并从所述偏振分束器的第三端口射出，获得信号光，

[0016] S6，步骤S5中的信号光和本振光混合并送入平衡探测器进行探测，所述平衡探测器输出的差频信号送至信号处理单元进行处理。

[0017] 为实现以上技术目的，本发明的另一个技术方案是：

[0018] 全光纤连续相干多普勒激光测速雷达光学噪声的抑制系统，包括窄线宽激光器、第一耦合器、光纤环形器、偏振分束器，第二耦合器、准直器、1/4波片、扩束系统，探测目标和信号处理单元，所述窄线宽激光器连接所述第一耦合器的输入端，所述第一耦合器的第一输出端通过放大器与所述光纤环形器的第一端口相连，所述光纤环形器与所述探测目标之间依次设置所述准直器、所述1/4波片和所述扩束系统，所述光纤环形器的第二端口的APC端面镀有抗反射膜，所述光纤环形器的第三端口通过所述偏振分束器与所述第二耦合器相连，所述1/4波片的快轴与偏振方向呈45度夹角设置，

[0019] 所述第一耦合器的第二输出端亦与所述第二耦合器相连，所述第二耦合器通过平衡探测器连接所述信号处理单元。

[0020] 进一步，所述窄线宽激光器为分布式反馈激光器、分布布拉格反射激光器、外腔半导体激光器中的一种。

[0021] 进一步，所述放大器为掺饵光纤放大器，所述第一耦合器为高分比光纤耦合器，所述第二耦合器为3dB光纤耦合器。

[0022] 基于上述的系统，本发明相应提供了全光纤连续相干多普勒激光测速雷达的光学噪声的抑制方法，具体步骤包括：

[0023] S1，窄线宽激光器发出窄线宽连续激光被第一耦合器分为本振光和种子光，[0024] S2，步骤S1中的种子光经过放大器放大，作为探测光注入经过光纤环形器的第一端口，所述光纤环形器的第二端口的APC端面镀有抗反射膜，

[0025] S3，经过快轴与偏振方向呈45度夹角的1/4波片转变为圆偏振光，通过扩束系统7射向待测目标后返回，

[0026] S4，携带有探测目标信息的背向散射光再次经过所述1/4波片转变为线偏振光，所述线偏振光偏振方向将与所述探测光的偏振方向垂直，

[0027] S5，步骤S4中的线偏振光从所述光纤环形器的第二端口注入，并从所述光纤环形器的第三端口射出，获得信号光，

[0028] S6，步骤S5中的信号光通过偏振分束器和本振光混合并送入平衡探测器进行探测，所述平衡探测器输出的差频信号送至信号处理单元进行处理。

[0029] 本发明具有以下有益效果：

[0030] 1、采用1/4波片将回波信号光与探测光的偏振态调整为90度夹角，并通过使用光纤偏振分束器对信号光与干扰光予以分离，从而降低干扰光影响；

[0031] 2、环形器或光纤偏振分束器的第二端口的端面的镀膜降低端面反射，从而减少干扰；

[0032] 3、采用平衡探测器降低本振光相对强度噪声。附图说明

[0033] 图1是现有技术中连续波全光纤激光相干多普勒测速雷达光学噪音的抑制系统结构示意图；

[0034] 图2是实施例1的连续波全光纤激光相干多普勒测速雷达光学噪音的抑制系统结构示意图；

[0035] 图3是实施例1的噪声测量频谱图；

[0036] 图4是实施例2的连续波全光纤激光相干多普勒测速雷达光学噪音的抑制系统结构示意图；

[0037] 图5是实施例2的噪声测量频谱图；

[0038] 图6是对比例的结构示意图；

[0039] 图7是对比例的噪声测量频谱图。

具体实施方式

[0040] 本发明目的利用光的偏振特征、端面镀膜技术以及平衡探测技术，降低连续波全光纤激光相干多普勒测速雷达中光纤端面、环形器端口泄露光引起的附加噪声，从而提高信噪比，保证系统检测精度。基于上述理论和方法，可以提供两种实施装置，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明两种技术方案进行详细说明。

[0041] 下面结合附图2，详细说明本发明的实施例1，但不对本发明的权利要求做任何限定。

[0042] 本实施例中提供的连续波全光纤激光相干多普勒测速雷达光学噪音的抑制系统，包括窄线宽激光器1-1、第一耦合器1-2、偏振分束器1-4，第二耦合器1-9、准直器1-5、1/4波片1-6、扩束系统1-7，探测目标1-8和信号处理单元1-11。

[0043] 窄线宽激光器1-1用于出射窄线宽连续激光，窄线宽激光器1-1为分布式反馈激光器、分布布拉格反射激光器、外腔半导体激光器，窄线宽激光器1-1连接第一耦合器1-2的输入端，第一耦合器1-2为高分比的光纤耦合器用于将经过的输出光分为两路。偏振分束器1-4有三个端口：第一端口、第二端口和第三端口，光信号从第一端口进入，从第二端口输出，第二端口还会接从探测目标1-8返回的背向散射光信号，背向散射光信号再从第三端口输出。第一耦合器1-2的第一输出端通过放大器1-3与偏振分束器1-4第一端口相连，放大器1-
3为掺饵光纤放大器1-3，对进入的光信号进行放大。偏振分束器1-4与探测目标1-8之间依次设置准直器1-5、1/4波片1-6和扩束系统1-7，偏振分束器1-4的第二端口的APC端面镀有抗反射膜，如此，尽可能降低该端面反射光强度，进一步降低其影响。偏振分束器1-4的第三端口与第二耦合器1-9相连，第二耦合器1-9为3dB光纤耦合器。1/4波片1-6的快轴与偏振方向呈45度夹角设置，1/4波片1-6将圆偏振光与线偏振光进行相互转换。第一耦合器1-2的第二输出端、偏振分束器1-4的第三端口均与第二耦合器1-9相连，第二耦合器1-9通过平衡探测器1-10连接信号处理单元1-11。

[0044] 基于上述系统，本实施例提供的连续波全光纤激光相干多普勒测速雷达光学噪音的抑制方法，具体步骤如下：

[0045] S1，窄线宽激光器1-1发出窄线宽连续激光，窄线宽连续激光为线偏振光经光纤输出，通过第一耦合器1-2将输出光分为本振光和种子光。其中，较弱一路作为本振光，另一路为种子光；

[0046] S2，种子光则经光纤放大器1-3放大后作为探测光注入光纤偏振分束器1-4第一端口，偏振分束器1-4的第二端口的APC端面镀有抗反射膜；

[0047] S3，该探测光依次经过偏振分束器1-4与光准直器1-5，然后到达快轴与偏振方向呈45度夹角的1/4波片1-6从而变为圆偏振光，最后通过扩束系统1-7射向目标空间；

[0048] S4，空间中的探测目标1-8会导致探测光产生携带了速度信号的微弱背向散射，携带有探测目标1-8信息的背向散射光沿原路通过扩束系统1-7返回光学系统，1/4波片1-6再次将圆偏振光转变为线偏振光，此时获得的线偏振光偏振方向将与原始线偏光偏振方向垂直，

[0049] S5，步骤S4中的线偏振光从偏振分束器1-4的第二端口注入，并从偏振分束器1-4的第三端口射出，获得信号光；

[0050] S5，信号光和本振光经过第二耦合器1-9混合并送入平衡探测器1-10进行探测，平衡探测器1-10输出的差频信号由信号处理单元1-11做后续的模数转换、快速傅里叶变换、频谱累加以及寻峰计算等处理。

[0051] 如图3所示，频谱仪带宽设置为1KHz，平均次数为30。经过本实施例提供的系统处理后，本底噪声在-80dBm左右，波动范围小于3dB。系统可稳定处于高信噪比状态，从而稳定测量微弱返回光信号。

[0052] 下面结合附图4，详细说明本发明的实施例2，但不对本发明的权利要求做任何限定。

[0053] 本实施例中提供的连续波全光纤激光相干多普勒测速雷达光学噪音的抑制系统，包括窄线宽激光器2-1、第一耦合器2-2、光纤环形器2-4、偏振分束器2-9，第二耦合器2-10、准直器2-5、1/4波片2-6、扩束系统2-7，探测目标2-8和信号处理单元2-12。

[0054] 窄线宽激光器2-1用于出射窄线宽连续激光，窄线宽激光器2-1为分布式反馈激光器、分布布拉格反射激光器、外腔半导体激光器，窄线宽激光器2-1连接第一耦合器2-2的输入端，第一耦合器2-2为高分比的光纤耦合器用于将经过的输出光分为两路。光纤环形器2-4有三个端口：第一端口、第二端口和第三端口，光信号从第一端口进入，从第二端口输出，第二端口还会接从探测目标2-8返回的背向散射光信号，背向散射光信号再从第三端口输出。第一耦合器2-2的第一输出端通过放大器2-3与光纤环形器2-4的第一端口相连，放大器
2-3为掺饵光纤放大器2-3，对进入的光信号进行放大。光纤环形器2-4与探测目标2-8之间依次设置准直器2-5、1/4波片2-6和扩束系统2-7，光纤环形器2-4的第二端口的APC端面镀有抗反射膜，如此，尽可能降低该端面反射光强度，进一步降低其影响。光纤环形器2-4的第三端口通过偏振分束器2-9与第二耦合器2-10相连，第二耦合器2-10为3dB光纤耦合器。1/4波片2-6的快轴与偏振方向呈45度夹角设置，1/4波片2-6将圆偏振光与线偏振光进行相互转换。第一耦合器2-2的第二输出端、偏振分束器2-9均与第二耦合器2-10相连，第二耦合器
2-10通过平衡探测器2-11连接信号处理单元2-12。

[0055] 基于上述系统，本实施例提供的连续波全光纤激光相干多普勒测速雷达光学噪音的抑制方法，具体步骤如下：

[0056] S1，窄线宽激光器2-1发出窄线宽连续激光，窄线宽连续激光为线偏振光经光纤输出，通过第一耦合器2-2将输出光分为本振光和种子光，其中，较弱一路作为本振光，另一路为种子光；

[0057] S2，种子光则经光纤放大器2-3放大后作为探测光注入光纤环形器2-4的第一端口，光纤环形器2-4的第二端口的APC端面镀有抗反射膜；

[0058] S3，该探测光依次经过光纤环形器2-4与准直器2-5，然后到达快轴与偏振方向呈45度夹角的1/4波片2-6从而变为圆偏振光，最后通过扩束系统2-7射向目标空间；

[0059] S4，空间中的探测目标2-8会导致探测光产生携带了速度信号的微弱背向散射，携带有探测目标2-8信息的背向散射光沿原路通过扩束系统2-7返回光学系统，1/4波片2-6再次将圆偏振光转变为线偏振光，此时获得的线偏振光偏振方向将与原始线偏光偏振方向垂直，

[0060] S5，步骤S4中的线偏振光从光纤环形器2-4的第二端口注入，并从光环型器的第三端口射出，获得信号光；

[0061] S5，信号光通过偏振分束器2-9和本振光经过第二耦合器2-10混合并送入平衡探测器2-11进行探测，平衡探测器2-11输出的差频信号由信号处理单元2-12做后续的模数转换、快速傅里叶变换、频谱累加以及寻峰计算等处理。

[0062] 如图5所示，频谱仪带宽设置为1KHz,平均次数为30。经过本实施例提供的系统处理后，本底噪声在-80dBm左右，波动范围小于3dB。系统可稳定处高信噪比状态，从而稳定测量微弱返回光信号。

[0063] 下面结合附图6，对对比例进行说明。

[0064] 相比于实施例2，在对比例提供的系统中，窄线宽激光器3-1连接第一耦合器3-2的输入端，第一耦合器3-2的第一输出端通过放大器3-3与光纤环形器3-4的第一端口相连，光纤环形器3-4与探测目标3-7之间仅设置准直器3-5与扩束系统3-6，光纤环形器3-4的第三端口直接与第二耦合器3-8相连，第一耦合器3-2的第二输出端亦与第二耦合器3-8相连，第二耦合器3-8通过平衡探测器3-9连接信号处理单元3-10。光纤环形器3-4的第二端口未设有抗反射膜，并且在扩束系统3-6前端未设有1/4波片，同时，光纤环形器3-4与第二耦合器3-8之间未设置有偏振分束器。

[0065] 如图7所示，频谱仪带宽设置为1KHz,平均次数为30。经过本对比例提供的系统处理后，本底噪声波动范围约20dB。系统噪声波动范围较大，部分时刻可覆盖微弱返回光信号，导致无法稳定实施测量。

[0066] 综上所述，本发明具有以下有益效果：

[0067] 1、采用1/4波片将回波信号光与探测光的偏振态调整为90度夹角，并通过使用偏振分束器对信号光与干扰光予以分离，从而降低干扰光影响；

[0068] 2、环形器或偏振分束器的第二端口的APC端面的镀膜降低端面反射，从而减少干扰；

[0069] 3、采用平衡探测器降低本振光相对强度噪声。

[0070] 使用本发明技术方案，可降低连续波全光纤激光相干多普勒测速雷达中光纤端面、环形器端口泄露光引起的附加噪声；同时，相对现有参考方案可降低本振光引入的相对强度噪声，从而提升系统信噪比。

[0071] 上述仅本发明较佳可行实施例，并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的技术人员，在本发明的实质范围内，所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

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