专利名称：全光纤激光雷达单模光纤自动耦合系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光雷达的接收系统，尤其是全光纤激光雷达单模光纤自动耦合系统。
背景技术：
在通常的大气遥感激光雷达系统接收系统中，多采用多模光纤耦合望远镜接收到的回波信号，其耦合效率较高。但是在全光纤激光雷达系统中，由于分光器件通常采用光纤布拉格光栅等器件来构成分光系统，因此，为了能与光纤布拉格光栅进行正常连接，必须采用单模光纤来耦合望远镜接收到的回波信号。但是由于单模光纤的芯径、数值孔径相比较多模光纤要小得多，因此，其与望远镜之间的耦合效率要比多模光纤耦合低得多，因此，在全光纤激光雷达中，最大的光损失无疑发生在单模光纤与望远镜的耦合处。如何提高单模光纤与望远镜之间的耦合效率成为一个需要重点解决的问题。此外，在半导体激光器与光纤耦合、光纤连接、定向耦合、相干激光雷达以及光纤传感器中，也存在单模光纤的耦合效率低问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种全光纤激光雷达单模光纤自动耦合系统，能够大大提高单模光纤与接收望远镜之间的耦合效率和耦合速度。一种全光纤激光雷达单模光纤自动耦合系统，其特别之处在于，包括依次排列的第一凸透镜、第二凸透镜和安装在XY 二维调整架内的自聚焦透镜，以及单模光纤，该单模光纤的一端与前述自聚焦透镜连接，而另一端与一图像采集模块附带的显微镜头连接，该图像采集模块依次通过图像处理模块、主控制模块和通信模块与上位计算机连接；另外主控制模块的输出端还通过驱动模块分别与二维调整架的X轴执行机构和Y轴执行机构连接从而调整自聚焦透镜的位置。其中驱动模块由X轴执行机构驱动模块和Y轴执行机构驱动模块组成。本发明借鉴了自聚焦透镜重量轻、结构紧凑、并同时具有准直和聚焦以及耦合效率高的特点，提出利用组合透镜结合自聚焦透镜实现高效耦合的方法，并采取自动耦合调整的方法，将其应用于全光纤激光雷达系统中，实现单模光纤与望远镜的高效率耦合。该分光系统结构紧凑、简单易行、性能稳定，成本较低，为提高全光纤激光雷达的耦合效率提供了一种全新的解决方案。
图1是本发明的利用组合透镜结合自聚焦透镜构成的单模光纤自动耦合系统；图2是本发明的自动耦合系统控制主程序流程图；图3是本发明的图像处理子程序流程图；图4是本发明的利用透镜将空间激光耦合到单模光纤的示意图5是本发明的组合透镜与自聚焦透镜结合的耦合原理图。图中，1.第一凸透镜(1)，2.第二凸透镜O)，3.自聚焦透镜(3)，4. XY二维调整架 (4),5.单模光纤(5),6.显微镜头(6),7.图像采集模块(7),8.图像处理模块(8),9.主控制模块(9)，10.通信模块(10) ；11.上位计算机(11)，12. X轴执行机构驱动模块(12)， 13. X轴执行机构(13)，14. Y轴执行机构驱动模块(14)，15. Y轴执行机构(15)，16.第一平面(16)，17.第二平面(17)，18.等效耦合凸透镜(18)，19.第三平面(19)，20.第四平面 (20)，21.第五平面(21)，22.第六平面(22)。
具体实施例方式下面结合附图来对本发明做进一步详细的说明(1)、如图1所示，本发明是一种利用组合透镜结合自聚焦透镜构成的单模光纤自动耦合系统，实现望远镜与单模光纤之间的高效快速耦合。耦合系统构成如附图1所示，包括第一凸透镜1、第二凸透镜2、自聚焦透镜3、XY 二维调整架4，单模光纤5，带有显微镜头 6的图像采集模块7，图像处理模块8，主控制模块9，通信模块10 ；上位计算机(上位机系统)11，X轴执行机构驱动模块12，X轴执行机构13，Y轴执行机构驱动模块14，Y轴执行机构15。采用本发明自动耦合系统将激光雷达的回波信号高效快速的耦合进单模光纤中的方法，具体按照以下步骤实施步骤1 激光雷达发射的激光束与大气中的分子和粒子相互作用，产生的后向散射回波信号全光纤激光雷达接收后，射向第一凸透镜1，经过第二凸透镜2出射后，射向由 XY 二维调整架4调整方向的自聚焦透镜3，自聚焦透镜3将回波信号进行聚焦，回波信号出射后被耦合进单模光纤5，经过单模光纤5传输出射后，形成光斑，由带有显微镜头6的图像采集模块7接收。步骤2 图像采集模块7将接收到的光斑图像信号送入图像处理模块8，图像处理模块8对光斑图像进行滤波、分割、灰度值计算，得到图像的强度数据，并将处理后的数据送入主控制器9，主控制器9根据处理数据，按照一定的优化算法得到控制信号，控制信号分别通过X轴执行机构驱动模块12、Y轴执行机构驱动模块14来驱动X轴执行机构13、Y 轴执行机构15，实现对XY 二维调整架4的X、Y方向进行调节，最终使耦合进单模光纤5的光信号达到最强。上述步骤中，X轴执行机构13、Υ轴执行机构15根据控制信号对XY 二维调整架4 的位置进行调节的过程是一个最优控制过程，其控制目标是使得耦合进单模光纤5中的光信号强度最大，该控制目标等价于图像处理模块8处理后所得到的图像像素灰度相加后值为最大。按照该控制目标，优化控制算法按照以下步骤实施，具体主控制程序流程图如附图 2所示，其中图像处理子程序流程图如附图3所示Α.将XY二维调整架的位置初始值记为Pfe，此时采集得到的光斑图像经过滤波、分割等处理后，得到灰度图像，采用扫描算法对光斑范围内的灰度图像进行全扫描，计算光斑范围内所有像素的灰度值之和，记为S’B.通过X轴执行机构向X轴执行机构施加控制命令，使XY 二维调整架的向左进一个位移量，此时的位置记为Pp此时采集得到的光斑图像经过滤波、分割等处理后，得到灰度图像，采用扫描算法对光斑范围内的灰度图像进行全扫描，计算光斑范围内所有像素的灰度值之和，记为Sp然后通过X轴执行机构向X轴执行机构施加控制命令，使XY 二维调整架的向右退一个位移量，回到原来的初始位置P’ C.通过X轴执行机构向X轴执行机构施加控制命令，使XY 二维调整架的向右进一个位移量，此时的位置记为Pp此时采集得到的光斑图像经过滤波、分割等处理后，得到灰度图像，采用扫描算法对光斑范围内的灰度图像进行全扫描，计算光斑范围内所有像素的灰度值之和，记为Sp然后通过X轴执行机构向X轴执行机构施加控制命令，使XY 二维调整架的向左退一个位移量，回到原来的初始位置P’D.通过Y轴执行机构向Y轴执行机构施加控制命令，使XY 二维调整架的向上进一个位移量，此时的位置记为P±，此时采集得到的光斑图像经过滤波、分割等处理后，得到灰度图像，采用扫描算法对光斑范围内的灰度图像进行全扫描，计算光斑范围内所有像素的灰度值之和，记为Sp然后通过Y轴执行机构向Y轴执行机构施加控制命令，使XY 二维调整架的向下退一个位移量，回到原来的初始位置P’E.通过Y轴执行机构向Y轴执行机构施加控制命令，使XY 二维调整架的向下进一个位移量，此时的位置记为Ρτ，此时采集得到的光斑图像经过滤波、分割等处理后，得到灰度图像，采用扫描算法对光斑范围内的灰度图像进行全扫描，计算光斑范围内所有像素的灰度值之和，记为ST。然后通过X轴执行机构向X轴执行机构施加控制命令，使XY二维调整架的向上退一个位移量，回到原来的初始位置P’F.将Sp Sp S±、St分别与Sfe相减，获得差值，当差值均小于0，说明此时Pfe已经为最佳位置，调节过程结束。当3￡、3;&、3±、3〒与Sfe相减后，获得差值，而差值并非都小于0，则找出最大差值所对应的那个方向，此方向将为光强度增加的方向，此时通过X轴执行机构向X轴执行机构施加控制命令、或者通过Y轴执行机构向Y轴执行机构施加控制命令，使XY 二维调整架的向该方向进一个位移量，并将新的位置记为Pfe，同时该新位置处所计算的灰度图像的所有像素的灰度值之和，记为Sfe。G.重新回到步骤B，继续执行。以下从原理方面对本发明中单模光纤与望远镜的耦合技术进行说明。单模光纤的半径(模场半径)只有几个微米，因此，传统的几何光学已不能用于分析其耦合效率。在单模光纤中，通常只有基模能被传输，因此，只有当耦合进单模光纤的光与光纤传输模的模场相匹配时，即只有单模光纤的传输模场分布与耦合进入单模光纤的激光光场分布(幅度和相位)相同时，才可以获得最大的耦合效率(此时仍存在菲涅尔反射等形式的损耗)。因此，可以通过模式匹配理论计算出最大耦合效率的理论值来评定耦合系统的好坏。可以将全光纤激光雷达的望远镜简化为一个等效耦合凸透镜。附图4所示为利用等效耦合凸透镜将空间激光耦合到单模光纤的示意图。附图4中，第一平面16为透镜的前表面，为接收孔径平面，第二平面17为单模光纤端面，其位于透镜的焦点上，为焦平面；
Eu^)为入射到第一平面16上的光场强度函数；等效耦合凸透镜18的孔径为dK ；等效耦合
凸透镜18的焦距为f。在该示意图中，远距离传输而来的入射光经过接收光学系统会聚后，在第二平面 17上形成艾利斑衍射图样，其实质为费涅耳衍射。由于等效耦合凸透镜18具有傅立叶变化的性质，因此第一平面16上的入射光场经过傅立叶变化后，将会在第二平面17上形成光光场分布Ei sO^。 耦合效率定义为耦合到单模光纤5内的平均功率<P。>与到达等效耦合凸透镜18 的第一平面16上的光功率<PA>之间的比值。对于单模光纤5而言，<P。>可用下式表示
权利要求
1.一种全光纤激光雷达单模光纤(5)自动耦合系统，其特征在于包括依次排列的第一凸透镜(1)、第二凸透镜(2)和安装在XY 二维调整架内的自聚焦透镜(3)，以及单模光纤(5)，该单模光纤(5)的一端与前述自聚焦透镜C3)连接，而另一端与一图像采集模块 (7)附带的显微镜头(6)连接，该图像采集模块(7)依次通过图像处理模块(8)、主控制模块(9)和通信模块(10)与上位计算机(11)连接；另外主控制模块(9)的输出端还通过驱动模块分别与二维调整架(4)的X轴执行机构(1 和Y轴执行机构(1 连接从而调整自聚焦透镜(3)的位置。
2.如权利要求1所述的全光纤激光雷达单模光纤(5)自动耦合系统，其特征在于其中驱动模块由X轴执行机构驱动模块(1 和Y轴执行机构驱动模块(14)组成。
全文摘要
本发明涉及一种激光雷达的接收系统，尤其是全光纤激光雷达单模光纤自动耦合系统，其特点是，包括依次排列的第一凸透镜、第二凸透镜和安装在XY二维调整架内的自聚焦透镜，以及单模光纤，该单模光纤的一端与前述自聚焦透镜连接，而另一端与一图像采集模块附带的显微镜头连接，该图像采集模块依次通过图像处理模块、主控制模块和通信模块与上位计算机连接；另外主控制模块的输出端还通过驱动模块分别与二维调整架的X轴执行机构和Y轴执行机构连接从而调整自聚焦透镜的位置。本发明的分光系统结构紧凑、简单易行、性能稳定，成本较低，为提高全光纤激光雷达的耦合效率提供了一种全新的解决方案。
文档编号G01S7/481GK102435986SQ20111027312
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者华灯鑫, 周春艳, 李娟 , 毛建东, 王福平, 盛洪江 申请人:北方民族大学