一种可实现高灵敏回波探测的激光雷达

1.本发明涉及激光雷达测距技术领域，具体为一种可实现高灵敏回波探测的激光雷达。


背景技术：

2.激光雷达具备误差小、测距速度快、测量范围广、鲁棒性强、不受环境照度影响等诸多优点得到了普遍使用。常用探测方法多为脉冲体制，利用脉冲激光器作为雷达发射源，通过测量脉冲发射与遇到目标返回的时间差，结合光速获得目标物的位置信息。但由于激光在空间传播会受到大气损耗、颗粒散射等影响，使得激光功率大幅衰减。因此探测距离的提升通常通过两个方面：提高输出功率和提高探测器的探测灵敏度。
3.受现有器件和传输辐射安全性限制，脉冲激光器的输出功率不可能无限提高。因此提升探测器的探测灵敏度成为了提高探测距离的关键。使用单光子探测器可将探测灵敏度提升至最高，但其昂贵的成本无疑限制了其在各个领域的应用。相干探测法可以有效提高探测灵敏度，但其探测距离受限于激光的相干长度，无法实现远距离目标探测。
4.以上探测方法均会因探测器的性能限制探测灵敏度，因此，研究者探索发现了使用激光器自身探测回波的方法。目前主要有自相关时延特征法和自混合干涉法。
5.自相关时延特征法借助回波造成的光反馈，使激光器产生混沌激光，同时使用混沌激光特有的时延特征分析出反馈位置。但该方法的前提是必须使激光器产生混沌激光，而混沌激光产生所需的反馈光强一般在-45db以上，因此灵敏度受到一定限制【j. lightwave technol. 1986, 4, 1655】。自混合干涉方法在绝对距离测量领域也是借助激光器中心频率的变化在激光器内与回波产生拍频并测量，与相干法类似，实现了高分辨率、高灵敏度的测量，但激光器的相干长度限制了该方法仅可以实现短距离的目标探测，无法探测超过相干长度的目标位置【appl. opt. 1998, 37, 6684】。
6.在光通信研究初期，研究者发现反馈光会使激光器的调制特性曲线发生畸变，并分析得出在-60db的反馈强度下调制特性曲线的畸变为1db，不会影响光通信的调制解调【electron. lett. 1989, 25, 1369】。但并未对该畸变现象在其他的领域拓展应用。当光反馈半导体激光器的调制响应曲线上存在周期调制的畸变时，该调制曲线中周期信号对应的频率间隔与激光传输到反馈位置再返回的时间的倒数相等。
7.因此，为了避免对探测器灵敏度的依赖，而且基于上述启示，可设计一种应用灵敏度更高的回波探测的雷达装置。


技术实现要素：

8.本发明为了解决激光雷达的探测中对于探测器灵敏度依赖较大，而且受限于激光的相干长度的问题，提供了一种可实现高灵敏回波探测的激光雷达。
9.本发明是通过如下技术方案来实现的：一种可实现高灵敏回波探测的激光雷达，包括信号源、激光器、分光器、探测器及信号采集处理装置，所述信号源通过bias-t或激光
器自带高速调制口加载于激光器，所述激光器的输出光通过分光器进行分光，一部分光分至探测器，剩余光作为探测光输出至待测目标，所述探测器连接于信号采集处理装置。
10.本发明是把激光雷达的测距原理进行了改变，利用待测目标产生的反射作为回波，返回至激光器，同时对激光器实施外部微波扫频调制，激光器输出的频率响应曲线在反射回波的作用下会出现周期振荡的特征，再通过该周期振荡与反馈位置的关系即可实现故障或目标位置的探测。
11.优选的，所述激光器为可空间输出的半导体激光器。
12.优选的，所述分光器的分光比例为1:99~50:50的任意比例，进一步的，比例为1：99。
13.上述一种可实现高灵敏回波探测的激光雷达的高灵敏度回波探测法，具体如下：使用信号源将频率为f0的正弦调制信号通过bias-t或激光器自带高速调制口加载到激光器电流上，使激光器正常出光状态下同时包含调制信号的信息，激光器输出光通过99:1分光器，将1%的光分至探测器，剩余99%光作为探测光输出；目标返回光进入激光器，使得外腔谐振频率与调制频率发生共振，探测器输出进入信号采集处理装置，探测到输出光信号的振幅信息，随后将正弦调制信号的频率增加δf重复测试，直至增加频率至fm，最终测得f0~fm范围内激光器的频率响应特性曲线；其中fm‑ꢀ
f0的值不小于2/τ，τ为激光从激光器到目标位置的往返时间，δf小于1/2τ；测得的曲线将呈现周期的波动，由于在频率响应曲线中，该周期波动峰值间的间隔为1/τ，所以该波动周期的单位为hz，使用逆傅里叶变换计算即可快速提取出该周期信息，τ乘以空间中光速vg即为激光器到目标位置的往返距离，除以2即为雷达距目标的距离l，计算公式如下：雷达距目标的距离l，计算公式如下：。
14.优选的，所述信号采集处理装置为频谱仪、矢量网络分析仪或示波器的其中一种。
15.与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种可实现高灵敏回波探测的激光雷达，结构简单，使用激光器接收反射回波，探测距离不受激光相干长度限制，而且也避免了对探测器灵敏度的依赖，同时也大大提高了探测的灵敏度范围。-60db的反馈强度下调制曲线上的波动仍有1db，通过一定的周期信号提取方法可以实现更灵敏的回波响应，且分辨率远超脉冲飞行时间法。
附图说明
16.图1为本发明的结构示意图。
17.图2为本发明回波探测时的响应曲线图（左）和结果图（右）。
具体实施方式
18.以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
19.一种可实现高灵敏回波探测的激光雷达，如图1所示：包括信号源、激光器、分光
器、探测器及信号采集处理装置，所述信号源通过bias-t或激光器自带高速调制口加载于激光器，所述激光器的输出光通过分光器进行分光，一部分光分至探测器，剩余光作为探测光输出至待测目标，所述探测器连接于信号采集处理装置。
20.在本实施例中，所述激光器为可空间输出的半导体激光器；所述信号采集处理装置为频谱仪、矢量网络分析仪或示波器的其中一种，任一种都可以显示响应特性曲线；而且所述分光器的分光比例为1:99。
21.上述一种可实现高灵敏回波探测的激光雷达的回波探测方法，具体如下：使用信号源将频率为f0的正弦调制信号通过bias-t或激光器自带高速调制口加载到激光器电流上，使激光器正常出光状态下同时包含调制信号的信息，激光器输出光通过99:1分光器，将1%的光分至探测器，剩余99%光作为探测光输出；目标返回光进入激光器，使得外腔谐振频率与调制频率发生共振，探测器输出进入信号采集处理装置，探测到输出光信号的振幅信息，随后将正弦调制信号的频率增加δf重复测试，直至增加频率至fm，最终测得f0~fm范围内激光器的频率响应特性曲线；其中fm‑ꢀ
f0的值不小于2/τ，τ为激光从激光器到目标位置的往返时间，δf小于1/2τ；测得的曲线将呈现周期的波动，由于在频率响应曲线中，该周期波动峰值间的间隔为1/τ，所以该波动周期的单位为hz，使用逆傅里叶变换计算即可快速提取出该周期信息，τ乘以空间中光速vg即为激光器到目标位置的往返距离，除以2即为雷达距目标的距离l，计算公式如下：目标的距离l，计算公式如下：。
22.采用上述方法对图1中的距离进行探测，当将频率为f0的正弦调制信号加载到激光器上时，如图2左侧图所示为频率为f0的响应曲线，当将正弦调制信号的频率增加δf重复测试，直至增加频率至fm时，图2的右侧图为波动周期响应曲线，采用上述两个公式来计算距离l，所得结果即为雷达距离目标的距离。
23.本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。