一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统的制作方法

本发明涉及激光雷达系统，具体为一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统。

背景技术：

1、激光雷达系统是一种利用激光技术进行距离测量和目标探测的远程感测系统。它利用激光束来测量目标与传感器之间的距离，并通过分析回波信号来获取目标的位置、形状和运动状态等信息。

2、目前在大气探测激光雷达系统中，噪声源主要来自两部分，一部分是电学噪声，包括由探测器引入的暗噪声和采集卡引入的电磁噪声，另一部分是大气环境带来的背景光噪声，这两种噪声对信号质量均会产生消极作用。相比之下，电噪声较光噪声具有级数性差异，其带来的影响相对较小，且采集卡引入的噪声可以通过保护敏感源、耦合路径消除、干扰源消除等方式降低影响，暗噪声在雷达电路系统中是不可避免的。

3、目前，通常降低甚至消除背景光带来的影响的做法是使用光阑和添加滤光片抑制或使用降噪算法，但这都未在原理端消除背景光噪声影响，对降低激光雷达回波信号噪声效果有限，无法有效解决激光雷达白天信号信噪比低与反演精度差的问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统，具备的采用涡旋光的光学特性与滤噪算法相结合，对激光雷达回波信号背景光和电噪声进行滤除，能够有效提高信号反演精度有益效果，解决了上述背景技术中所提出的大气探测激光雷达存在白天受大气环境背景噪声影响大，而传统发射装置中采用的基模高斯光场存在无法在原理上分离有效回波信号和背景光信号的问题。

2、本发明提供为技术方案：一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统，系统包括光源单元、光束整形单元、涡旋光场发生单元、光学接收单元、信号处理单元以及滤噪单元；

3、光源单元、采用固体激光器作为雷达系统的激励源，用于生成初始的基模高斯光场；

4、光束整形单元、设置在光源模块上，用于调整光源模块所发出的光束质量以达到系统指标的要求；

5、涡旋光场发生单元，对光源单元所发出基模高斯光场进行相位调制后产生涡旋光场，并将产生的涡旋光场发射到大气中，经过大气中颗粒物或大气分子的后向散射作用被光学接收单元接收；

6、光学接收单元，用于将接收到的光信号传输到信号处理单元；

7、信号处理单元，用于将光学接收单元所接收到的涡旋光场信号进行分类，从而获取初步有效信号光和背景信号光；

8、信号转换单元，对信号处理单元分离出的初步有效信号光进行采集，并将它们转换为电信号，将转换完毕的电信号发送至滤噪单元进行处理；

9、滤噪单元，对电信号进行二次分类，将基于设定的算法，分为有效信号和微弱电噪声，将微弱电噪声进行滤波处理，之后传输出有效回波信号，具体算法如下：

10、。

11、作为本发明所述一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统的一种可选方案，其中：所述涡旋光场发生单元包括：光源模块、光束整形模块以及相位调节模块。

12、作为本发明所述一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统的一种可选方案，其中：涡旋光场发生单元包括相位调节模块，相位调节模块用于调整基模高斯光场的波前相位，以引发相位奇点并生成涡旋光场。

13、作为本发明所述一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统的一种可选方案，其中：所述光学接收单元，采用卡塞格林反射式望远系统，用于接收发射的光子回波信号。

14、作为本发明所述一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统的一种可选方案，其中：所述信号处理单元包括准直模块、光学微透镜阵列模块和光谱分光模块。

15、作为本发明所述一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统的一种可选方案，其中：准直模块用于校准基模高斯光场的光线，抑制光线的发散角，使光束能够集中到一个小的直径范围内，并确保光线沿着同一轴线传播，同时准直模块还用于降低光线的能量密度；

16、光学微透镜阵列用于对光线进行奇点聚焦，将涡旋信号光和大气环境背景光束所形成的混杂光束通过光学微透镜阵列后聚焦在涡旋光场的奇点附近；

17、光谱分光模块用于将不同特定波长和偏振特性的光谱准确分离，实现将混在一起的有效光信号分别分离到单一通道，对背景光进行抑制作业，实现混杂光束的区分。

18、作为本发明所述一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统的一种可选方案，其中：所述滤噪单元通过下述步骤进行过滤作业，具体步骤为：

19、s1、对完成转换后的电信号先进行放大和滤波，以提高电信号质量，再对提高质量后的电信号再进行整形和采样操作，并将采样所得到的电信号记录为文本数据；

20、s2、通过改进阈值函数的小波降噪算法对文本数据进行降噪处理，最后获得滤噪后的回波信号。

21、作为本发明所述一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统的一种可选方案，其中：所述s1步骤中使用放大器来增强电信号的幅度，并保障信号增强幅度处于合理幅度范围，将采样得到的数字信号进行进、数字滤波、数字整形的信号处理操作，将整理后的数字信号转换为文本格式，本文采用csv以及json格式进行记录，将文本数据保存到文件中，以便将其用于后续分析和存档。

22、本发明具备以下有益效果：

23、1、该基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统，本系统通过各个单元以及提出的算法，实现了基于物理和几何光学原理，分离大气环境背景光和有效信号光，从而实现了提高信号质量，对大量级背景光和小量级电学噪声都可以进行有效滤除，提升信号反演质量的目的，相较于传统的滤噪模式，本系统在原理端最大程度的消除了背景光噪声所带来的影响，有效解决激光雷达白天信号信噪比低与反演精度差的问题。

24、2、该基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统，系统通过改进阈值函数的小波降噪算法对文本数据进行降噪处理，最终获得滤噪后的回波信号，最大程度的抑制了背景光噪声的干扰，使得系统能够更精确地提取出有效信号。在处理光信号时表现出更高的灵敏性和准确性。

技术特征：

1.一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统，其特征在于：系统包括光源单元、光束整形单元、涡旋光场发生单元、光学接收单元、信号处理单元以及滤噪单元；

2.根据权利要求1所述的一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统，其特征在于：所述涡旋光场发生单元包括：光源模块、光束整形模块以及相位调节模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统，其特征在于：涡旋光场发生单元包括相位调节模块，相位调节模块用于调整基模高斯光场的波前相位，以引发相位奇点并生成涡旋光场。

4.根据权利要求2所述的一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统，其特征在于：所述光学接收单元，采用卡塞格林反射式望远系统，用于接收发射的光子回波信号。

5.根据权利要求1所述的一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统，其特征在于：信号处理单元包括准直模块、光学微透镜阵列模块和光谱分光模块。

6.根据权利要求5所述的一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统，其特征在于：准直模块用于校准基模高斯光场的光线，抑制光线的发散角，使光束能够集中到一个小的直径范围内，并确保光线沿着同一轴线传播，同时准直模块还用于降低光线的能量密度；

7.根据权利要求1所述的一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统，其特征在于：所述滤噪单元通过下述步骤进行过滤作业，具体步骤为：

8.根据权利要求7所述的一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统，其特征在于：所述s1步骤中使用放大器来增强电信号的幅度，并保障信号增强幅度处于合理幅度范围，将采样得到的数字信号进行进、数字滤波、数字整形的信号处理操作，将整理后的数字信号转换为文本格式，本文采用csv以及json格式进行记录，将文本数据保存到文件中，以便将其用于后续分析和存档。

技术总结
本发明涉及激光雷达系统技术领域，具体为一种基于涡旋光场信号滤噪的激光雷达系统，系统包括涡旋光场发生单元、光学接收单元、信号处理单元以及滤噪单元，本系统通过上述各个单元以及提出的算法，实现了基于物理和几何光学原理，分离大气环境背景光和有效信号光，从而实现了提高信号质量，对大量级背景光和小量级电学噪声都可以进行有效滤除，提升信号反演质量的目的，相较于传统的滤噪模式，本系统在原理端最大程度的消除了背景光噪声所带来的影响，有效解决激光雷达白天信号信噪比低与反演精度差的问题。

技术研发人员：孙哲,陈晓龙,徐胜辉,孙璐瑶,孙健刚
受保护的技术使用者：无锡中科光电技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21