CN108663671B - 一种基于dwdm的激光雷达系统 - Google Patents
一种基于dwdm的激光雷达系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108663671B CN108663671B CN201810460521.3A CN201810460521A CN108663671B CN 108663671 B CN108663671 B CN 108663671B CN 201810460521 A CN201810460521 A CN 201810460521A CN 108663671 B CN108663671 B CN 108663671B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- module
- dwdm
- light source
- output
- optical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 91
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 34
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 34
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 30
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 27
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 23
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 20
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 claims description 8
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910052775 Thulium Inorganic materials 0.000 claims 1
- UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N erbium Chemical compound [Er] UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- FRNOGLGSGLTDKL-UHFFFAOYSA-N thulium atom Chemical compound [Tm] FRNOGLGSGLTDKL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 35
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 30
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 11
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 description 11
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 6
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 3
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N [Ga].[As].[In] Chemical compound [Ga].[As].[In] KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000028161 membrane depolarization Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
- G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于DWDM的激光雷达系统，本发明的DWDM模块将输入的激光信号分为N个信号输出；探测器模块包括N个探测器，N个探测器与DWDM模块的N个输出端对应连接。本发明提出在发射端采用宽谱激光光源，在接收端采用DWDM的激光雷达方案。通过采用宽谱光源，一方面提高了激光发射功率，另一方面降低雷达对光源的要求，降低成本。通过采用DWDM模块，一方面大幅提高了激光雷达系统接收信号的光子技术率，降低了高功率信号的探测器饱和效应，另外一方面降低激光雷达的噪声，提高探测的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达系统，尤其涉及一种基于DWDM的激光雷达系统。
背景技术
激光雷达是一种主动的现代光学遥感技术，是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光具有高亮度、高方向性、高相干性、高峰值功率的特点。因此，激光雷达具有高角分辨率、高的距离分辨率、高时间分辨率、高测量精度、远探测距离、多目标探测、强抗干扰的优点。通过以激光为信息载体，激光雷达可以用振幅、频率、相位、偏振来搭载信息。因此，其不仅可以精确测距，还可以精确测量频移、角度、姿态、退偏振。继微波雷达之后，激光雷达将辐射源的频率提高到了光频率，比毫米波高出四个数量级，这使之能够探测微小自然目标，如大气中的气溶胶和分子。随着激光技术和光电子学技术的发展，激光雷达已成为重要遥感探测手段。
探测器是激光雷达系统的重要组成部分，探测器的能力直接决定了激光雷达系统的信号强度。激光光源的功率和线宽决定了整个激光雷达系统的分辨率和探测能力。激光光源的功率越高，线宽越窄，激光雷达的分辨率越高，探测效率越高。但是，对于现有的高功率的激光雷达系统，由于探测器的饱和效应，限制了激光雷达的探测效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于DWDM的激光雷达系统，能够显著提高激光雷达系统的探测效率。本发明是这样实现的：
一种基于DWDM的激光雷达系统，包括：光源模块、滤波模块、光放大模块、光学收发模块、密集波分复用模块DWDM模块、探测器模块、数据采集模块和数据处理模块，其中：
所述光源模块用于输出激光光束；
所述滤波模块用于对光源模块发射的光束进行滤波；
所述光放大模块用于对滤波模块输出的激光进行放大，并输入到光学收发模块；
所述光学收发模块用于将输入的激光输出到大气中，并接收大气回波信号，从光学收发模块输出的大气回波信号输入到DWDM模块；
所述DWDM模块用于将输入的激光信号分为N个信号输出；其中，N为自然数；
所述探测器模块用于检测所述DWDM模块输出的信号，并将检测到的信号依次输出到数据采集模块和数据处理模块；所述探测器模块包括N个探测器，所述N个探测器与DWDM模块的N个输出端对应连接；
所述数据采集模块用于将探测器模块输入的电信号转换为数字信号，所述数据处理模块用于根据预定的算法对所述数字信号处理，得到目标参数。
进一步的，所述光源模块包括连续光源和脉冲发生器，所述连续光源的输出端与脉冲发生器的输入端连接。
进一步的，所述光源模块包括脉冲激光器。
进一步的，所述连续光源为自发辐射ASE光源。
进一步的，所述光放大模块为掺铒光纤放大器EDFA或掺铥光纤放大器TDFA。
进一步的，所述光源模块、滤波模块、光放大模块、光学收发模块、密集波分复用模块DWDM模块和探测器模块直接均通过光纤连接；
所述光源模块的输出端与滤波模块的输入端连接，所述滤波模块的输出端与光放大模块的输入端连接，所述光放大模块的输出端与光学收发模块的输入端连接，所述光学收发模块的输出端与DWDM模块的输入端连接；所述DWDM模块包括N个输出端，每个输出端用于输出一个波束；所述探测器模块包括N个探测器，所述N个探测器与DWDM模块的N个输出端对应连接；所述N个探测器的输出端与所述数据采集模块连接，所述数据采集模块与数据处理模块连接。
进一步的，所述光学收发模块包括光纤环形器和收发望远镜，所述光放大模块的输出端与所述光纤环形器的输入端连接，所述光纤环形器的收发端与收发望远镜的输入端连接，所述光纤环形器的输出端与DWDM模块的输入端连接。
进一步的，所述光学收发模块包括发射望远镜和接收望远镜，所述光放大模块的输出端与所述发射望远镜的输入端连接，所述接收望远镜的输出端与DWDM模块的输入端连接。
进一步的，所述滤波模块为光纤布拉格光栅FBG。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用DWDM模块的激光雷达系统在保证光源的高功率的前提下，大幅提高了激光雷达系统接收信号的光子技术率，同时降低了高功率信号的探测器饱和效应：
探测器的饱和效应是指，当探测器接收的光强超过阈值时，探测器饱和，无法继续接收光信号。因此，激光雷达接收信号的功率受到探测器的饱和效应的限制。本发明为了解决这一问题，利于DWDM模块波分复用的特性，将接收到的大气回波信号密集地分为波长差极小的多路光信号(输出，每一路信号均通过一个探测器接收，N路信号通过N个探测器接收，探测器的总计数率是单个探测器的N倍，从而实现激光雷达系统探测计数率的倍增。
(2)本发明的激光雷达系统能够有效地降低系统噪声，提高探测效率：
DWDM模块可将输入的光波密集地分为波长差极小的多路窄带光信号(波长差可达到亚纳米级)，DWDM的特性决定了其本身就是天然的滤波器，通过DWDM模块输出的每一路信号均具有非常窄的带宽，光束质量非常好，从而显著提高了探测效率，降低系统噪声，提高探测信号的信噪比。将DWDM模块应用于激光雷达中，作为大气回波信号的滤波器件，在实现探测光子计数率倍增的同时还能降低系统噪声，从而极大地提高探测效率。
(3)本发明由于采用DWDM模块作为滤波器件，激光雷达系统对回波信号进行采集和处理时，不需要额外地增加滤光器件，从而有效地节约系统成本、减小系统尺寸和装配精度，并进一步避免了由于引入新的光学滤波器件带来的光信号的损耗、引入额外的噪声及误差。
(4)本发明的技术方案，通过采用宽谱光源(如ASE光源)，一方面提高了激光发射功率，另一方面降低雷达对光源的要求，大幅降低成本，从而使宽谱光源(如ASE光源)也能够应用于激光雷达系统中。宽谱光源(谱宽大于30nm的光源)虽然功率高，但由于其光谱宽度较宽，限制了其在激光雷达中的应用。高功率的窄带激光器的价格是宽谱光源价格的几十倍，采用本发明的技术方案，克服了现有的激光雷达对光源谱宽要求苛刻的技术偏见，显著地降低了激光雷达的成本。采用本发明的技术方案，采用非常低的代价，就能获得很高的激光发射功率，同时，以极低的成本大幅提高探测信号的计数率和信噪比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明实施例1提供的基于DWDM的激光雷达系统的结构框图；
图2是本发明实施例2提供的基于DWDM的激光雷达系统的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，本发明实施例1提供了一种基于DWDM的激光雷达系统，包括：光源模块1、滤波模块2、光放大模块3、光学收发模块、密集波分复用模块DWDM模块6、探测器模块7、数据采集模块8和数据处理模块9，其中：
所述光源模块1用于输出激光光束；
在本发明的一个实施例中，光源模块1包括连续光源11和脉冲发生器12。在另一个实施例中，光源模块1可以是脉冲激光器。
所述滤波模块2用于对光源模块1发射的光束进行滤波；
所述光放大模块3用于对滤波模块1输出的激光进行放大，并输入到光学收发模块；
所述光学收发模块用于将输入的激光输出到大气中，并接收大气回波信号，从光学收发模块输出的大气回波信号输入到DWDM模块6；
所述DWDM模块6用于将输入的激光信号分为N个信号输出；其中，N为自然数；
DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)，即密集波分复用，实质就是一种在光波段的波分(或频分)复用技术。传统的DWDM器件主要应用在光纤通信领域，即：根据波长或频率的不同将光纤划分为若干个光波道，每个波道设置一个光波作为载波，在发送端采用光复用器(分波器)将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输在接收端，再由一个光解复用(分波器)将这些不同波长承载不同信号的光载波分开，从而在一根光纤中可以实现多路光信号的复用传输。即通信领域中，DWDM器件的应用为多路信号输入——合并输出——光解复用。
本发明利于DWDM器件的波分复用性能，将DWDM器件应用于激光雷达中，与传统的通信领域的DWDM器件的工作方式相反，本发明的DWDM模块的工作方式为：合并输入——多路输出，即反向使用DWDM器件，从而巧妙地应用了DWDM器件的分光性能。
所述探测器模块7用于检测所述DWDM模块6输出的信号，并将检测到的信号依次输出到数据采集模块8和数据处理模块9；
所述数据采集模块8用于将探测器模块7输入的电信号转换为数字信号，所述数据处理模块9用于根据预定的算法对所述数字信号处理，得到目标参数。
在一个优选的实施方式中，连续光源11为宽谱光源，例如自发辐射ASE光源。ASE光源为宽谱光源，具有功率高、成本低的优点；ASE光源的波长包括1060nm、1550nm、1590nm和2um等多个波段。ASE光源的谱宽为30nm-60nm。当然，宽谱光源是激光器领域中，对于光谱宽度较大的光源的统称。本发明中所涉及的宽谱光源的概念是指带宽大于30nm的激光光源。除了ASE光源外，光源模块1还可以为超辐射发光二极管SLED、SLD，以及在激光器。
ASE光源的输出功率大于10mW，例如，可以是20mW或200mW，随着激光技术的进步，ASE光源的输出功率还会进一步提高。高功率的ASE光源提高了激光雷达的发射功率和探测能力，同时大幅降低了激光雷达的光源成本。
滤波模块2可以为光纤布拉格光栅FBG。FBG是Fiber Bragg Grating的首字母缩写，即为光纤光栅，又称光纤布拉格光栅，即在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。本发明的FBG滤波带宽优选为不大于1nm。
所述光放大模块3为掺铒光纤放大器EDFA或掺铥光纤放大器TDFA。
当自发辐射光源ASE光源的输出波长1550nm时，所述光放大模块3为EDFA。EDFA掺铒光纤放大器工作于1550nm波长。
当自发辐射光源ASE光源的输出波长2um时，所述光放大模块3为TDFA。
当然，所述光放大模块3还可以是其他掺杂的光纤放大器，如掺铋光纤放大器，针对不同的光源中心波长，可选取相匹配的光放大器。
所述光源模块1、滤波模块2、光放大模块3、光学收发模块4、密集波分复用模块DWDM模块6和探测器7模块直接均通过光纤连接。
所述光学收发模块包括光纤环形器41和收发望远镜51，所述光放大模块3的输出端与所述光纤环形器41的输入端连接，所述光纤环形器41的收发端与收发望远镜51的输入端连接，所述光纤环形器41的输出端与DWDM模块6的输入端连接。
所述光源模块1的输出端与滤波模块2的输入端连接，所述滤波模块2的输出端与光纤环形器41的输入端连接，所述光放大模块3的输出端与光学收发模块的输入端连接，所述光学收发模块的输出端与DWDM模块6的输入端连接；所述DWDM模块6包括N个输出端，每个输出端用于输出一个波束。
需要说明的是，所述DWDM模块6优选为无源DWDM模块。密集波分复用器DWDM是一个分出波长密度相对波分复用器WDM较高的多工分波器。
所述DWDM模块6输出的N个信号中相邻两个信号的波长差为0.1nm-1nm。
以一分四DWDM为例(即N＝4)，则DWDM模块6能将输入波长分为四路波长差距非常小的光束。这四路光束中相邻两路光束的波长差可以从0.1nm-1nm。
所述探测器模块7包括N个探测器，所述N个探测器分别与DWDM模块的N个输出端对应连接。即N个DWDM模块的N个输出端分别与N个探测器对应连接。探测器可以是InGaAs/InP单光子探测器、上转换单光子探测器UCSPD和超导纳米线单光子探测器SNSPD。
所述N个探测器的输出端与所述数据采集模块8连接，所述数据采集模块与数据处理模块9连接。
下面，以ASE光源输出的波长为1550nm这一具体的应用场景为例，对本发明实施例进行详细阐述。
ASE光源的输出端与脉冲发生器12的输出端连接，脉冲发生器12的输出端与FBG的输入端连接，FBG的输出端与EDFA的输入端连接；EDFA的输出端与光纤环形器41的输入端连接，光纤环形器的收发端与收发望远镜51的输入端连接；光纤环形器41的输出端与DWDM模块6的输入端连接；DWDM模块的N个输出端分别与N个探测器连接；N个探测器的输出端与数据采集模块8连接，数据采集模块8与数据处理模块9连接。
探测器优选为InGaAs/InP单光子探测器。InGaAs/InP单光子探测器是1.5μm波段最常用的探测器。其主要包括雪崩光电二极管和与之配套的淬灭电路。当光子入射到雪崩管后，产生一个雪崩信号，电路完成对雪崩信号的记录后，雪崩管恢复到工作状态，以对下一个光子进行探测。探测器的工作速率与雪崩淬灭电路有关，雪崩淬灭越快，探测器恢复到工作状态的时间越短，工作速率就越快。InGaAs/InP单光子探测器具有宽谱响应、偏振无关的优势，且成本低。
在近红外光波段(1100～1650nm),目前应用比较广泛的是基于铟镓砷(InGaAs/InP)APD的单光子探测器,其量子效率在1.55μm波长处能达约20％,暗计数约103cps左右,计数率不超过1M/s。
ASE光源输出中心波长为1550nm的宽谱激光信号；由于ASE光源为宽谱光源，输出功率较大，例如大于20mW；ASE光源输出光信号的谱宽为30nm-60nm之间。ASE光源输出的激光信号经过FBG滤波后，输出带宽为1nm的激光信号，该信号经EDFA放大后，光功率增大数倍，经光纤环形器输出到收发望远镜中，大气回波信号经收发望远镜接收后，经光纤环形器输出到DWDM模块；DWDM模块将输入的光信号分为N路信号输出，这N路信号由对应的N个探测器接收。探测器总的光子计数率为各探测器的光子计数率之和。
以探测器采用InGaAs/InP单光子探测器，N为4为例，若单个InGaAs/InP单光子探测器的计数率为1M/s，本发明的总光子计数率可达到4M/s，从而实现探测的光子技术率的倍增，大幅提高激光雷达的探测效率。且相对于造价昂贵的上转换单光子探测器UCSPD和超导纳米线单光子探测器SNSPD，InGaAs/InP单光子探测器成本非常低、体积小。通过DWDM模块结合InGaAs/InP单光子探测器，本发明能够以很低的成本，获得较高的计数率。
在本发明的另外的实施例中，为了匹配实现某些对带宽有特殊要求的探测器，DWDM模块的每个输出端与探测器之间还可以连接一个滤光器，例如FBG，从而输出更窄带的光束。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用DWDM模块的激光雷达系统在保证光源的高功率的前提下，大幅提高了激光雷达系统接收信号的光子技术率，同时降低了高功率信号的探测器饱和效应：
探测器的饱和效应是指，当探测器接收的光强超过阈值时，探测器饱和，无法继续接收光信号。因此，激光雷达接收信号的功率受到探测器的饱和效应的限制。本发明为了解决这一问题，利于DWDM模块波分复用的特性，将接收到的大气回波信号密集地分为波长差极小的多路光信号(输出，每一路信号均通过一个探测器接收，N路信号通过N个探测器接收，探测器的总计数率是单个探测器的N倍，从而实现激光雷达系统探测计数率的倍增。
(2)本发明的激光雷达系统能够有效地降低系统噪声，提高探测效率：
DWDM模块可将输入的光波密集地分为波长差极小的多路窄带光信号(波长差可达到亚纳米级)，DWDM的特性决定了其本身就是天然的滤波器，通过DWDM模块输出的每一路信号均具有非常窄的带宽，光束质量非常好，从而显著提高了探测效率，降低系统噪声，提高探测信号的信噪比。将DWDM模块应用于激光雷达中，作为大气回波信号的滤波器件，在实现探测光子计数率倍增的同时还能降低系统噪声，从而极大地提高探测效率。
(3)本发明由于采用DWDM模块作为滤波器件，激光雷达系统对回波信号进行采集和处理时，不需要额外地增加滤光器件，从而有效地节约系统成本、减小系统尺寸和装配精度，并进一步避免了由于引入新的光学滤波器件带来的光信号的损耗、引入额外的噪声及误差。
(4)本发明的技术方案，通过采用宽谱光源(如ASE光源)，一方面提高了激光发射功率，另一方面降低雷达对光源的要求，大幅降低成本，从而使宽谱光源(如ASE光源)也能够应用于激光雷达系统中。宽谱光源(谱宽大于30nm的光源)虽然功率高，但由于其光谱宽度较宽，限制了其在激光雷达中的应用。高功率的窄带激光器的价格是宽谱光源价格的几十倍，采用本发明的技术方案，克服了现有的激光雷达对光源谱宽要求苛刻的技术偏见，显著地降低了激光雷达的成本。采用本发明的技术方案，采用非常低的代价，就能获得很高的激光发射功率，同时，以极低的成本大幅提高探测信号的计数率和信噪比。
实施例2：
如图2所示，本发明实施例2提供了一种基于DWDM的激光雷达系统，实施例2与实施例1的主要区别在于，实施例2的光学收发模块与实施例1不同。包括：光源模块1、滤波模块2、光放大模块3、光学收发模块、密集波分复用模块DWDM模块6、探测器模块7、数据采集模块8和数据处理模块9，其中：
所述光源模块1用于输出激光光束；
在本发明的一个实施例中，光源模块1包括连续光源11和脉冲发生器12。在另一个实施例中，光源模块1可以是脉冲激光器。
所述滤波模块2用于对光源模块1发射的光束进行滤波；
所述光放大模块3用于对滤波模块1输出的激光进行放大，并输入到光学收发模块；
所述光学收发模块用于将输入的激光输出到大气中，并接收大气回波信号，从光学收发模块输出的大气回波信号输入到DWDM模块6；
所述DWDM模块6用于将输入的激光信号分为N个信号输出；其中，N为自然数；
所述探测器模块7用于检测所述DWDM模块6输出的信号，并将检测到的信号依次输出到数据采集模块8和数据处理模块9；
所述数据采集模块8用于将探测器模块7输入的电信号转换为数字信号，所述数据处理模块9用于根据预定的算法对所述数字信号处理，得到目标参数。
连续光源为自发辐射ASE光源。ASE光源为宽谱光源，具有功率高、成本低的优点；ASE光源的波长包括1060nm、1550nm、1590nm和2um等多个波段。ASE光源的谱宽为30nm-60nm。
滤波模块2可以为光纤布拉格光栅FBG。FBG全称为Fiber Bragg Grating，即为光纤光栅，又称光纤布拉格光栅，即在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。本发明的FBG滤波带宽优选为不大于1nm。
所述光放大模块3为掺铒光纤放大器EDFA或掺铥光纤放大器TDFA。
当自发辐射光源ASE光源的输出波长1550nm时，所述光放大模块3为EDFA。EDFA掺铒光纤放大器工作于1550nm波长。
当自发辐射光源ASE光源的输出波长2um时，所述光放大模块3为TDFA。
当然，所述光放大模块3还可以是其他掺杂的光纤放大器，如掺铋光纤放大器，针对不同的光源中心波长，可选取相匹配的光放大器。
所述光源模块1、滤波模块2、光放大模块3、光学收发模块4、密集波分复用模块DWDM模块6和探测器7模块直接均通过光纤连接。
所述光学收发模块包括发射望远镜42和接收望远镜52，所述光放大模块3的输出端与所述发射望远镜42的输入端连接，所述接收望远镜52的输出端与DWDM模块6的输入端连接。
所述光源模块1的输出端与滤波模块2的输入端连接，所述滤波模块2的输出端与发射望远镜42的输入端连接，所述光放大模块3的输出端与光学收发模块的输入端连接，所述光学收发模块的输出端与DWDM模块6的输入端连接；所述DWDM模块6包括N个输出端，每个输出端用于输出一个波束。
需要说明的是，所述DWDM模块6优选为无源DWDM模块。密集波分复用器DWDM是一个分出波长密度相对波分复用器WDM较高的多工分波器。
所述DWDM模块6输出的N个信号中相邻两个信号的波长差为0.1nm-1nm。
以一分四DWDM为例(即N＝4)，则DWDM模块6能将输入波长分为四路波长差距非常小的光束。这四路光束中相邻两路光束的波长差可以从0.1nm-1nm。
所述探测器模块7包括N个探测器，所述N个探测器分别与DWDM模块的N个输出端对应连接。即N个DWDM模块的N个输出端分别与N个探测器对应连接。探测器可以是InGaAs/InP单光子探测器、上转换单光子探测器UCSPD和超导纳米线单光子探测器SNSPD。
所述N个探测器的输出端与所述数据采集模块8连接，所述数据采集模块与数据处理模块9连接。
下面，以ASE光源输出的波长为1550nm这一具体的应用场景为例，对本发明实施例进行详细阐述。1550nm的光源位于人眼安全窗口，对人眼安全。
ASE光源的输出端与脉冲发生器12的输出端连接，脉冲发生器的输出端与FBG的输入端连接，FBG的输出端与EDFA的输入端连接；EDFA的输出端与光纤环形器41的输入端连接，光纤环形器的收发端与收发望远镜51的输入端连接；光纤环形器41的输出端与DWDM模块6的输入端连接；DWDM模块的N个输出端分别与N个探测器连接；N个探测器的输出端与数据采集模块8连接，数据采集模块8与数据处理模块9连接。
探测器优选为InGaAs/InP单光子探测器。InGaAs/InP单光子探测器是1.5μm波段最常用的探测器。其主要包括雪崩光电二极管和与之配套的淬灭电路。当光子入射到雪崩管后，产生一个雪崩信号，电路完成对雪崩信号的记录后，雪崩管恢复到工作状态，以对下一个光子进行探测。探测器的工作速率与雪崩淬灭电路有关，雪崩淬灭越快，探测器恢复到工作状态的时间越短，工作速率就越快。InGaAs/InP单光子探测器具有宽谱响应、偏振无关的优势，且成本低。
ASE光源输出中心波长为1550nm的宽谱激光信号；由于ASE光源为宽谱光源，输出功率较大，例如大于30mW；ASE光源输出光信号的谱宽为30nm-60nm之间。ASE光源输出的激光信号经过FBG滤波后，输出带宽为1nm的激光信号，该信号经EDFA放大后，光功率增大数倍，经光纤环形器输出到收发望远镜中，大气回波信号经收发望远镜接收后，经光纤环形器输出到DWDM模块；DWDM模块将输入的光信号分为N路信号输出，这N路信号由对应的N个探测器接收。接收信号的总计数率为各探测器的计数率之和。
在本发明的另外的实施例中，为了匹配实现某些对带宽有特殊要求的探测器，DWDM模块的每个输出端与探测器之间还可以连接一个滤光器，例如FBG，从而输出更窄带的光束。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用DWDM模块的激光雷达系统在保证光源的高功率的前提下，大幅提高了激光雷达系统接收信号的光子技术率，同时降低了高功率信号的探测器饱和效应：
探测器的饱和效应是指，当探测器接收的光强超过阈值时，探测器饱和，无法继续接收光信号。因此，激光雷达接收信号的功率受到探测器的饱和效应的限制。本发明为了解决这一问题，利于DWDM模块波分复用的特性，将接收到的大气回波信号密集地分为波长差极小的多路光信号(输出，每一路信号均通过一个探测器接收，N路信号通过N个探测器接收，探测器的总计数率是单个探测器的N倍，从而实现激光雷达系统探测计数率的倍增。
(2)本发明的激光雷达系统能够有效地降低系统噪声，提高探测效率：
DWDM模块可将输入的光波密集地分为波长差极小的多路窄带光信号(波长差可达到亚纳米级)，DWDM的特性决定了其本身就是天然的滤波器，通过DWDM模块输出的每一路信号均具有非常窄的带宽，光束质量非常好，从而显著提高了探测效率，降低系统噪声。将DWDM模块应用于激光雷达中，作为大气回波信号的滤波器件，在实现探测光子计数率倍增的同时还能降低系统噪声，从而极大地提高探测效率。
(3)本发明由于采用DWDM模块作为滤波器件，激光雷达系统对回波信号进行采集和处理时，不需要额外地增加滤光器件，从而有效地节约系统成本、减小系统尺寸和装配精度，并进一步避免了由于引入新的光学滤波器件带来的光信号的损耗、引入额外的噪声及误差。
(4)本发明的技术方案，降低了激光雷达对光源的谱宽的苛刻要求，从而使宽谱光源(如ASE光源)也能够应用于激光雷达系统中。高功率的窄带激光器的价格是宽谱光源价格的几十倍，采用本发明的技术方案，克服了现有的激光雷达对光源谱宽要求苛刻的技术偏见，显著地降低了激光雷达的成本。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于DWDM的激光雷达系统，其特征在于，包括：光源模块、滤波模块、光放大模块、光学收发模块、密集波分复用模块DWDM模块、探测器模块、数据采集模块和数据处理模块，其中：
所述光源模块用于输出激光光束；所述光源模块包括连续光源和脉冲发生器，所述连续光源的输出端与脉冲发生器的输入端连接；所述连续光源为自发辐射ASE光源；ASE光源的输出功率大于10mW；
所述滤波模块用于对所述光源模块发射的光束进行滤波；
所述光放大模块用于对滤波模块输出的激光进行放大，并输入到光学收发模块；
所述光学收发模块用于将输入的激光输出到大气中，并接收大气回波信号，从光学收发模块输出的大气回波信号输入到DWDM模块；
所述DWDM模块用于将输入的激光信号分为N个信号输出；其中，N为自然数；
所述探测器模块用于检测所述DWDM模块输出的信号，并将检测到的信号依次输出到数据采集模块和数据处理模块；所述探测器模块包括N个探测器，所述N个探测器与DWDM模块的N个输出端对应连接；N路信号由对应的N个探测器接收；探测器总的光子计数率为各探测器的光子计数率之和；所述数据采集模块用于将探测器模块输入的电信号转换为数字信号，所述数据处理模块用于根据预定的算法对所述数字信号处理，得到目标参数。
2.根据权利要求1所述的基于DWDM的激光雷达系统，其特征在于，所述光放大模块为掺铒光纤放大器EDFA或掺铥光纤放大器TDFA。
3.根据权利要求1所述的基于DWDM的激光雷达系统，其特征在于，所述光源模块、滤波模块、光放大模块、光学收发模块、密集波分复用模块DWDM模块和探测器模块直接均通过光纤连接；
所述光源模块的输出端与滤波模块的输入端连接，所述滤波模块的输出端与光放大模块的输入端连接，所述光放大模块的输出端与光学收发模块的输入端连接，所述光学收发模块的输出端与DWDM模块的输入端连接；所述DWDM模块包括N个输出端，每个输出端用于输出一个波束；所述N个探测器的输出端与所述数据采集模块连接，所述数据采集模块与数据处理模块连接。
4.根据权利要求3所述的基于DWDM的激光雷达系统，其特征在于，所述光学收发模块包括光纤环形器和收发望远镜，所述光放大模块的输出端与所述光纤环形器的输入端连接，所述光纤环形器的收发端与收发望远镜的输入端连接，所述光纤环形器的输出端与DWDM模块的输入端连接。
5.根据权利要求3所述的基于DWDM的激光雷达系统，其特征在于，所述光学收发模块包括发射望远镜和接收望远镜，所述光放大模块的输出端与所述发射望远镜的输入端连接，所述接收望远镜的输出端与DWDM模块的输入端连接。
6.根据权利要求1所述的基于DWDM的激光雷达系统，其特征在于，所述滤波模块为光纤布拉格光栅FBG。
7.根据权利要求1所述的基于DWDM的激光雷达系统，其特征在于，所述光源模块包括脉冲激光器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810460521.3A CN108663671B (zh) | 2018-05-15 | 2018-05-15 | 一种基于dwdm的激光雷达系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810460521.3A CN108663671B (zh) | 2018-05-15 | 2018-05-15 | 一种基于dwdm的激光雷达系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108663671A CN108663671A (zh) | 2018-10-16 |
| CN108663671B true CN108663671B (zh) | 2022-05-13 |
Family
ID=63779589
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810460521.3A Active CN108663671B (zh) | 2018-05-15 | 2018-05-15 | 一种基于dwdm的激光雷达系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108663671B (zh) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109557557B (zh) * | 2018-12-10 | 2021-07-16 | 山东国耀量子雷达科技有限公司 | 一种软件自定义多功能激光雷达 |
| CN110702237A (zh) * | 2019-09-12 | 2020-01-17 | 天津大学 | 可分辨光子能量的超导纳米线单光子探测器阵列 |
| CN111257851B (zh) * | 2020-04-03 | 2022-04-05 | 厦门大学 | 一种基于宽谱光源的光谱测量方法和光谱扫描激光雷达 |
| CN111796297B (zh) * | 2020-06-12 | 2022-12-09 | 电子科技大学 | 基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置 |
| CN113671212B (zh) * | 2021-08-16 | 2022-07-15 | 南京牧镭激光科技有限公司 | 一种基于dwdm光开关模块测量三维风量的光路切换通道和切换方法、及激光雷达 |
| CN115776337B (zh) * | 2021-09-04 | 2024-12-24 | 西安电子科技大学 | 一种微波光子多通道通感测一体化方法 |
| CN114355362B (zh) * | 2022-01-11 | 2025-07-04 | 中国科学技术大学 | 激光雷达系统及光纤传感系统的自发辐射噪声的拟合方法 |
| WO2023133666A1 (zh) * | 2022-01-11 | 2023-07-20 | 中国科学技术大学 | 激光雷达系统及光纤传感系统的自发辐射噪声的拟合方法 |
| CN114994642B (zh) * | 2022-07-29 | 2022-10-28 | 南京信息工程大学 | 一种多路探测的激光雷达 |
| CN114994710B (zh) * | 2022-08-03 | 2022-10-28 | 南京信息工程大学 | 一种动态范围分段控制的激光雷达 |
| CN115515034A (zh) * | 2022-11-09 | 2022-12-23 | 希烽光电科技(南京)有限公司 | 使用掺铋光纤放大器的超长距离通信系统 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103245369A (zh) * | 2013-03-22 | 2013-08-14 | 黎敏 | 基于多纵模f-p激光器的新型光纤光栅解调方法及其系统 |
| CN106646426A (zh) * | 2016-12-27 | 2017-05-10 | 中国科学技术大学 | 一种多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达 |
| CN106772315A (zh) * | 2016-12-29 | 2017-05-31 | 武汉高思光电科技有限公司 | 多光束扫描装置及多光束扫描方法 |
| CN107688187A (zh) * | 2017-08-16 | 2018-02-13 | 南京红露麟激光雷达科技有限公司 | 基于空间波长编码的目标探测激光雷达 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0921614B1 (en) * | 1997-12-09 | 2001-03-14 | Hewlett-Packard Company | Low noise and wide power range laser source |
| US7529484B2 (en) * | 2005-12-14 | 2009-05-05 | Nec Laboratories America, Inc. | Triplexer transceiver using parallel signal detection |
| US7783207B2 (en) * | 2007-06-27 | 2010-08-24 | Alcatel-Lucent Usa Inc. | Automatic threshold voltage adjustment circuit for dense wavelength division multiplexing or packet transport system and method of operating the same |
| US8541744B1 (en) * | 2013-03-09 | 2013-09-24 | Jian Liu | Method and apparatus for wavelength locking free optical frequency comb based differential absorption Lidar |
-
2018
- 2018-05-15 CN CN201810460521.3A patent/CN108663671B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103245369A (zh) * | 2013-03-22 | 2013-08-14 | 黎敏 | 基于多纵模f-p激光器的新型光纤光栅解调方法及其系统 |
| CN106646426A (zh) * | 2016-12-27 | 2017-05-10 | 中国科学技术大学 | 一种多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达 |
| CN106772315A (zh) * | 2016-12-29 | 2017-05-31 | 武汉高思光电科技有限公司 | 多光束扫描装置及多光束扫描方法 |
| CN107688187A (zh) * | 2017-08-16 | 2018-02-13 | 南京红露麟激光雷达科技有限公司 | 基于空间波长编码的目标探测激光雷达 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 多通道光纤光栅压力传感解调系统的设计;赵亚丽 李虎;《计量技术》;20171231;第20-23页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108663671A (zh) | 2018-10-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108663671B (zh) | 一种基于dwdm的激光雷达系统 | |
| EP2805179B1 (en) | Optical system for range finding | |
| JP2871547B2 (ja) | 光スペクトルアナライザ装置および光増幅器の制御方法 | |
| CA2075961C (en) | Optical test apparatus | |
| CN102109362B (zh) | 融合光纤布里渊频移器的分布式光纤布里渊传感器 | |
| JP7679109B2 (ja) | 損失媒体を通した超短パルスレーザー通信のための方法及び装置 | |
| CN105830364A (zh) | 监测光性能参数的装置、方法和光传输系统 | |
| CN114578319B (zh) | 一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块 | |
| US20240077382A1 (en) | Optical Fiber Measurement System | |
| CN103323041A (zh) | 一种基于相干检测的分布式布里渊光纤传感系统 | |
| CN113267762A (zh) | 激光雷达 | |
| CN104917042B (zh) | 应用于光纤时频传递的低噪声高对称性的双向光放大器 | |
| Zhang et al. | Enhancement in dynamic range of amplitude-modulated continuous-wave laser scanner having a coaxial configuration | |
| CN101304286B (zh) | 光传输方法、光传输系统和喇曼放大器 | |
| CN110542447B (zh) | 一种长距离高分辨率布里渊光学时域分析仪 | |
| KR100904292B1 (ko) | 이득 평탄화를 이용한 이단 에르븀 기반 증폭기 | |
| CN114646941B (zh) | 一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器 | |
| Kimura et al. | Optically preamplified receiver at 10, 20, and 40 Gb/s using a 1550-nm vertical-cavity SOA | |
| US11668803B1 (en) | Few-mode amplified receiver for LIDAR | |
| Gryaznova et al. | A system with a fiber-optic communication line for measuring the parameters of active phased antenna arrays in the far zone in landfill conditions | |
| JP3236661B2 (ja) | 光パルス試験器 | |
| CN110631617B (zh) | 一种长距离高分辨率布里渊光学时域分析方法 | |
| CN115963477A (zh) | 一种基于外腔受激拉曼放大的激光雷达光源 | |
| Dalla Santa et al. | Burst‐mode analysis of XGPON Raman reach extender employing quantum‐dot lasers | |
| KR101252494B1 (ko) | 광섬유 브래그 격자 센서 시스템 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20191107 Address after: No. 164, Changguo South Road, Yanling Town, Danyang City, Zhenjiang City, Jiangsu Province Applicant after: Xia Hedi Address before: 231241 Anhui Hefei Shushan Economic Development Zone, Wen Shui Road, electricity supplier park three phase 2 building A 8 floor 8428 room. Applicant before: HEFEI FEINIEER OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20221125 Address after: 211899 X-108, Floor 1, Building 4, No. 5, Wangjiang Road, Nanjing District, China (Jiangsu) Pilot Free Trade Zone, Nanjing, Jiangsu Province (information declaration) Patentee after: Jiangsu Guangzai Technology Co.,Ltd. Address before: 212341 No. 164, Changguo South Road, Yanling Town, Danyang City, Zhenjiang City, Jiangsu Province Patentee before: Xia Hedi |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240129 Address after: No. 2 Chongren Road, Luxia Town, Yanping District, Nanping City, Fujian Province, 353000 Patentee after: Fujian Ruicarbon Optoelectronic Precision Instrument Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 211899 X-108, Floor 1, Building 4, No. 5, Wangjiang Road, Nanjing District, China (Jiangsu) Pilot Free Trade Zone, Nanjing, Jiangsu Province (information declaration) Patentee before: Jiangsu Guangzai Technology Co.,Ltd. Country or region before: China |