气动光学效应自适应补偿的远距离激光测距方法及装置

本发明属于激光雷达相干测距领域，涉及一种气动光学效应自适应补偿的远距离激光测距方法及装置，可以对远距离回波弱信号波前由于气动光学效应导致的波前畸变进行自适应补偿。

背景技术：

1、传统的激光测距主要有单光子直接探测和相干探测两种体制，单光子直接探测体制的激光测距技术较为成熟，已经被广泛应用于近距离的无人驾驶汽车雷达和远距离的月地测距等应用场景，但探测器容易受到太阳光等背景杂光噪声干扰，无法全天时工作。相比较而言，相干体制的激光测距主要工作波段为1550nm，相干混频的工作原理使其不受背景噪声的干扰，能够全天候全天时工作，尤其在机载平台远距离测距的场景下可以充分发挥这一优势。由于回波信号要与本地信号进行相干混频处理，因此对于回波的波前相干性要求较高，机载平台会面临高速运动所产生的气动光学效应，由此带来的波前畸变甚至流场导致负透镜效应而产生的离焦现象，会极大地降低测距系统的相干效率，因此要对其进行波前的自适应补偿。

2、在胡源等人的专利中提出了一种机载激光通信系统环境离焦自适应补偿方法(参见专利申请号cn104765128a)，该方法为机载激光通信系统提出了基于液体透镜的离焦自适应环境补偿方案，其系统基于收发同轴的光学天线，激光的发射和接收为同一光轴，光束在扩束发射前以及接收光束均经过一个可变焦的液体透镜进行离焦校正。由于激光通信是双向工作模式，通信终端接收的是对方发来的激光束，光束经过气动附面层后进入通信光学系统，其离焦探测和波前探测模块能直接获取到气动层产生的附加畸变信息，经过上述离焦补偿方法对波前校正补偿的方案对于激光通信系统是适合的，但是不适用于收发分离且接收回波为远距离目标反射回波弱信号的激光雷达系统，因为雷达接收的光是自身发出的，发射的激光波前是标准的高斯波前，不能在发射通道就进行气动附面层的预先共轭校正设定。此外，远距离测距激光雷达的发射功率非常高，在同轴光学系统中液体透镜在高功率激光的持续照射下会产生损坏。对于激光雷达而言，虽然也面临波前畸变甚至高速机载平台下气动光学导致的离焦效应影响，但其波前补偿校正需要重新设计如收发分离等新的工作模式，而且仅在接收通道中采用新型的可变焦光学器件。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种气动光学效应自适应补偿的远距离激光测距方法及装置，解决远距离的激光测距，在提高激光发射功率的同时，还降低探测端的背景噪声干扰，提升探测效率。

2、本发明的原理如下：

3、基于相干体制的激光测距在抗噪声干扰方面具有技术优势。目前试验结果表明，在采用近量子极限的高灵敏度探测器后，基于多通道接收非相干叠加的相干测距距离能达到几十甚至近百公里。当系统置于机载平台，高速流场运动在光学窗口外表面产生的气动光学效应会破坏波前，进而降低测距系统的相干效率，降低测距威力，需要对波前畸变进行补偿校正。对于波前畸变，采用自适应闭环系统进行校正，对于负透镜效应引起的离焦，可通过莫尔透镜进行补偿，莫尔透镜受电压控制，能够在几毫秒内在不同曲率之间无缝转换，本身不包含移动的机械部件，能抵抗振动、冲击和整体磨损，是对焦系统的理想组件。由于测距雷达是基于多通道接收，发射通道和各接收通道之间相互分离，要进行远距离目标探测，发射通道发射激光功率高达几十瓦甚至百瓦，而接收通道所接收远距离小目标反射回波弱信号的功率为皮瓦甚至飞瓦量级。功率量级的差异和多通道的特点决定了无法单独采用一个可变焦莫尔透镜进行补偿校正。

4、本发明的技术方案如下：

5、一种气动光学效应自适应补偿的远距离激光测距方法，基于收发分离式多通道激光雷达光学天线，包括：

6、利用光学天线对高功率激光器发射的激光扩束后向远距离目标发射，并对远距离目标反射回的目标回波缩束后，进入n个通道；

7、每个通道内沿光轴方向设置有由至少个衍射光学元件组成的可变焦莫尔透镜，该可变焦莫尔透镜受调焦控制器控制，改变两个衍射光学元件的旋转角度；

8、所述的目标回波经可变焦莫尔透镜后，经第一分光片分为第一透射光和第一反射光；所述的第一透射光经离焦探测透镜进入红外光束分析仪，该红外光束分析仪对各接收通道的聚焦光斑进行分析，输出反馈信号到调焦控制器，该调焦控制器根据反馈信号对各接收通道的可变焦莫尔透镜进行正负方向上的调焦，直到所述的红外光束分析仪上的光斑接近理论的艾里斑，完成离焦的轴向校正；

9、所述的第一反射光入射到可变形镜上，经该可变形镜反射后，由第二分光片分为第二反射光和第二透射光，所述的第二反射光进入波前探测器，该波前探测器对各通道的目标回波波前进行探测并计算出波前畸变，将畸变值传输给可变形镜控制器，该可变形镜控制器经过计算处理得到变形镜单元镜片的致动电压，利用该致动电压驱动所述的可变形镜对实时波前进行共轭校正；

10、所述的第二透射光经接收准直镜阵列聚焦到光纤端面后，进入光电探测器与本地信号进行相干混频处理，得到各个通道的远距离测距信号；

11、将每个通道的远距离测距信号电信号的非相干叠加。

12、所述的第一分光片的透反比为1:(9～99)，所述的第二分光片的透反比为 (9～99)：1。

13、一种气动光学效应自适应补偿的远距离激光测距装置，基于收发分离式多通道激光雷达光学天线(1)，包括：高功率激光器(2)、至少二个可变焦莫尔透镜阵列(3)、调焦控制器(4)、第一分光片(5)、离焦探测透镜(6)、红外光束分析仪(7)、可变形镜(8)、可变形镜控制器(9)、波前探测器(10)、第二分光片(11)、接收准直镜阵列(12)和相干探测处理模块(13)；

14、所述的高功率激光器(2)发射的高功率激光经过所述的光学天线(1) 扩束后向远距离目标发射，所述的光学天线(1)接收远距离目标的反射回波，该回波经过所述的光学天线(1)缩束后进入三个接收通道：该三个接收通道分别经三个可变焦莫尔透镜阵列(3)，然后经过第一分光片(5)分为透射光和反射光，所述的透射光经过所述的离焦探测透镜(6)进入所述的红外光束分析仪(7)，该红外光束分析仪(7)对各接收通道的聚焦光斑进行分析输出反馈信号，该反馈信号输入到所述的调焦控制器(4)，该调焦控制器(4)根据反馈信号对各接收通道的可变焦莫尔透镜(3)进行正负方向上的调焦，直到所述的红外光束分析仪(7)上的光斑接近理论的艾里斑，完成离焦的轴向校正：

15、所述的第一分光片(5)的反射光入射到所述的可变形镜(8)上，经所述的可变形镜(8)的反射光被第二分光片(11)分为反射光和透射光，该反射光进入所述的波前探测器(10)，该波前探测器(10)对各通道的回波波前进行探测并计算出波前畸变，将畸变值传输给所述的可变形镜控制器(9)，该可变形镜控制器(9)经过计算处理得到变形镜单元镜片的控制致动电压，利用该致动电压驱动所述的可变形镜(8)对实时波前进行共轭校正；

16、第二分光片(11)的大比例透射光经过所述的接收准直镜阵列(12)聚焦到光纤端面后，进入所述的光电探测器(13)与本地信号进行相干混频处理，得到三个通道的远距离测距信号。

17、与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

18、1)在机载雷达系统的多个接收通道中采用多个可变焦莫尔透镜，可以对高速流场负透镜效应的离焦现象进行补偿，但不对发射激光的出射波前作出预先离焦补偿，保持发射波前的平行度。

19、2)采用可变形镜、可变形镜控制器和波前探测器组成的自适应光学子系统，对大气波前畸变进行自适应补偿。

20、3)本发明能够提高每个接收通道的相干混频效率，增强多通道非相干叠加效果，提高雷达系统测距威力。