CN120085408A - 特制光纤束、基于特制光纤束的光接收系统以及基于光接收系统的激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种特制光纤束、基于特制光纤束的光接收系统以及基于光接收系统的激光雷达，涉及机载水深测量激光雷达技术领域，该特制光纤束包括输入端、第一输出端和第二输出端；输入端由中心多模光纤以及环绕中心光纤的环形多模光纤束构成；第一输出端为中心多模光纤；第二输出端为输入端中环形多模光纤束合成的圆形光纤束。本申请提供的特制光纤束能够将复合光回波信号分离为大、小视场两部分，可代替分视场光反射镜。

Description

特制光纤束、基于特制光纤束的光接收系统以及基于光接收 系统的激光雷达

技术领域

本申请涉及机载水深测量激光雷达技术领域，特别是涉及一种特制光纤束、基于特制光纤束的光接收系统以及基于光接收系统的激光雷达。

背景技术

机载水深测量激光雷达安装在有人飞机（飞高200～1000m）或者无人机（飞高10～50m）飞行作业，发射的脉冲激光束自上而下对设定的水面、水底区域进行点线扫描覆盖，水面、水底漫反射回来的光回波信号经光接收系统接收、存储，数据处理，形成点云图，最后得出水面、水底的三维地形图。

激光雷达每发射一个脉冲激光光点，其光接收系统会接收到一个包含水面回波、水底回波的复合光回波信号，由于自然环境河流、湖泊、海洋等水体对光束的吸收、散射比较大，导致水底光回波信号要比水面光回波信号小10³～10⁵倍，也可能远小于水体散射造成的散射光回波，为了避免水底光回波信号淹没，或者难于采集，机载激光雷达的光接收系统通常采用“光接收主镜+分视场光反射镜+大小两个视场通道光接收组件”结构。

然而，这种传统、典型的大小两个视场水深测量光接收系统受限于整机参数设计，要求小视场光接收组件等相关光学零件与光接收主镜同轴排列、大视场光接收组件等相关光学零件与光接收主镜垂轴排列，整个光学主轴结构占用一定长度及空间，也不利于机载水深测量激光雷达整机轻量化和小型化。

发明内容

本申请的目的是提供一种特制光纤束、基于特制光纤束的光接收系统以及基于光接收系统的激光雷达，可通过特制光纤束代替光接收系统中的分视场光反射镜，实现机载水深测量激光雷达整机轻量化和小型化。

为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

第一方面，本申请提供了一种特制光纤束，包括：输入端、第一输出端和第二输出端；

所述输入端由中心多模光纤以及环绕中心光纤的环形多模光纤束构成；

所述第一输出端为中心多模光纤；所述第二输出端为输入端中环形多模光纤束合成的圆形光纤束。

可选地，所述中心多模光纤为一根多模光纤或一多模光纤束。

可选地，当所述中心多模光纤为一根多模光纤时，所述多模光纤的芯径范围为200～500µm。

可选地，当所述中心多模光纤为多模光纤束时，所述多模光纤束中每一多模光纤的芯径范围为100～300µm；所述多模光纤束中每一多模光纤的芯径相同。

可选地，所述环形多模光纤束中每一多模光纤的芯径范围为100～300µm；所述环形多模光纤束中每一多模光纤的芯径相同。

可选地，所述中心多模光纤和所述环形多模光纤束中的多模光纤的材质采用石英玻璃材料。

第二方面，本申请提供了一种基于特制光纤束的光接收系统，包括：光接收主镜、特制光纤束、小视场光接收组件和大视场光接收组件；

特制光纤束输入端的中心位于光接收主镜焦点；

特制光纤束的第一输出端与小视场光接收组件连接；

特制光纤束的第二输出端与大视场光接收组件连接。

可选地，所述小视场光接收组件沿光路方向依次包括第一准直镜、第一滤光片、第一汇聚镜和第一光探测器。

可选地，所述大视场光接收组件沿光路方向依次包括第二准直镜、第二滤光片、第二汇聚镜和第二光探测器。

第三方面，本申请提供了一种基于光接收系统的激光雷达，包括：光接收系统；

所述光接收系统采用特制光纤束替代分视场反射镜；特制光纤束的第一输出端与小视场通道的光接收组件耦合；所述特制光纤束的第二输出端与大视场通道的光接收组件耦合。

根据本申请提供的具体实施例，本申请公开了以下技术效果：

本申请提供了一种特制光纤束，包括：输入端、第一输出端和第二输出端；所述输入端由中心多模光纤以及环绕中心光纤的环形多模光纤束构成；所述第一输出端为中心多模光纤；所述第二输出端为输入端中环形多模光纤束合成的圆形光纤束。本申请提供的特制光纤束能够将复合光回波信号分离为大、小视场两部分，可代替分视场光反射镜，进而能够对机载水深测量激光雷达整机进行轻量化和小型化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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他的附图。

图1为本申请一实施例中提供的特制光纤束结构图。

图2为本申请一实施例中提供的特制光纤束替代分视场反射镜的水深测量光接收系统示意图。

图3为本申请一实施例中提供的现有光学系统示意图。

图4为本申请一实施例中提供的水面探测接收光学系统仿真图。

图5为本申请一实施例中提供的水面探测接收光学系统接收视场仿真图。

图6为本申请一实施例中提供的水底探测接收光学系统仿真图。

图7为本申请一实施例中提供的水底探测接收光学系统接收视场图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

复合光回波信号经光接收主镜接收、聚焦后，分离为小视场0～5mrad、大视场5～35mrad两部分。其中，小视场光回波信号幅值占总幅值的五分之一或更小，在浅水区域，小视场通道光接收组件能够采集到水面回波和极其微弱的水底回波；而大视场光回波信号幅值占总幅值的五分之四或更大，大视场通道光接收组件设计避开水面光回波，只接收深水区域的水底光回波。

将复合光回波信号分离为大视场、小视场两部分，是基于一片分视场光反射镜（即中心穿椭圆孔的光平面反射镜），分视场光反射镜位于光接收主镜焦点处，中心椭圆孔中心与主镜焦点重合，中心椭圆孔长轴与光接收系统主光轴呈45°放置。复合光回波信号经光接收主镜聚焦，其中，小视场光回波信号在主镜焦面上形成一个фa的圆斑，完全穿过分视场光反射镜中心椭圆孔(椭圆孔设计为短轴a、长轴1.414a)进入同轴的小视场光接收组件（作为测量水面及浅水区数据）；大视场光回波信号在主镜焦面上形成一个内径фa外径фb的环形圆斑，完全在分视场光反射镜中心椭圆孔之外、经反射而垂直于光轴进入大视场光接收组件（作为测量深水区数据）。

分视场光反射镜中心椭圆孔(短轴a、长轴1.414a)尺寸、椭圆外形(短轴b、长轴1.414b)尺寸与整个光接收系统设计参数相关。

这种传统、典型的大小两个视场水深测量光接收系统受限于整机参数设计，要求小视场光接收组件等相关光学零件与光接收主镜同轴排列、大视场光接收组件等相关光学零件与光接收主镜垂轴排列。

本申请的目的是提供一种特制光纤束、基于特制光纤束的光接收系统以及基于光接收系统的激光雷达，可通过特制光纤束代替光接收系统中的分视场光反射镜，实现机载水深测量激光雷达整机轻量化和小型化。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种特制光纤束，包括：输入端、第一输出端和第二输出端；

所述输入端由中心多模光纤以及环绕中心光纤的环形多模光纤束构成；

所述第一输出端为中心多模光纤；所述第二输出端为输入端中环形多模光纤束合成的圆形光纤束。

其中，所述中心多模光纤为一根多模光纤或一多模光纤束。当所述中心多模光纤为一根多模光纤时，所述多模光纤的芯径范围为200～500µm。当所述中心多模光纤为多模光纤束时，所述多模光纤束中每一多模光纤的芯径范围为100～300µm；所述多模光纤束中每一多模光纤的芯径相同。所述环形多模光纤束中每一多模光纤的芯径范围为100～300µm；所述环形多模光纤束中每一多模光纤的芯径相同。所述中心多模光纤和所述环形多模光纤束中的多模光纤的材质采用石英玻璃材料。

具体的，特制光纤束为用于替代分视场反射镜的光纤束，图1中的（a）是特制光纤束输入端，圆形端面中心是直径фa的中心光纤101(一根或数根、数十根100µm～200µm光纤组成的圆形光纤束)，其斜线区域环形端面是数十根（或者数百根）芯径ф100～300µm光纤组成的内径фa～外径фb环形光纤束102。图1中的（c）是特制光纤束输出端，其中A端为第一输出端，即中心光纤（束）101-A、B端是第二输出端（斜线区域环形端面光纤束合成的）圆形光纤束102-B。图1中的（b）为特制光纤束的整体结构示意图。

其中，在本实施例中构成特制光纤束的光纤，采用市场上商业化的大数值孔径（NA=0.22、0.33、0.47、0.66可选）、大芯径薄包层光纤（芯径=ф105～500µm可选），光纤数值孔径、芯径的选用、光纤数量多少的选用与激光雷达整机光接收系统的光接收主镜、大小视场等设计参数相关。特制光纤的制作、生产，采用常规成熟的光学加工工艺可以完成，制作成本与同口径的高能量激光反射镜相当。

商业化光纤对光信号长距离传输只有3个低损耗波长“窗口”：850nm、1310nm、1550nm，特制光纤束按照整机设计需求，通常选用长度0.2～0.5米，低损耗波长“窗口”之外的532nm光信号在特制光纤束传输衰减可以忽略不计。

实施例二

本实施例提供了一种基于特制光纤束的光接收系统，包括：光接收主镜、特制光纤束、小视场光接收组件和大视场光接收组件；

特制光纤束输入端的中心位于光接收主镜焦点；

特制光纤束的第一输出端与小视场光接收组件连接；

特制光纤束的第二输出端与大视场光接收组件连接。

如图2所示，基于特制光纤束分离光回波信号大、小视场的水深测量光接收系统如图2所示，特制光纤束200的输入端中心位于光接收主镜201的焦点（输入端面中心与焦面重合）。目标漫反射回来的光回波信号经由光主镜201接收并聚焦，其中小视场光回波信号聚焦耦合进入中心光纤（束），并通过输出端200-A进入小视场光接收组件202的准直镜2021、滤光片2022、汇聚镜2023，最终到达光探测器2024。大视场光回波信号聚焦耦合进入环形光纤束，并通过输出端200-B进入大视场光接收组件203的准直镜2031、滤光片2032、汇聚镜2033，最终到达光探测器2034。

光接收主镜、小视场光接收组件、大视场光接收组件三者相对独立，与特制光纤束共同构成了水深测量光接收系统。

实施例三

本实施例提供了一种基于光接收系统的激光雷达，包括：光接收系统；

所述光接收系统采用特制光纤束替代分视场反射镜；特制光纤束的第一输出端与小视场通道的光接收组件耦合；所述特制光纤束的第二输出端与大视场通道的光接收组件耦合。

其中，激光雷达的其余部分为一些现有的成品组件。

1）激光器

激光雷达通常使用激光器作为光源，发射出激光束。这部分可以采用现有的半导体激光器或光纤激光器，它们已经广泛应用于各种激光雷达系统中，具有高稳定性、高功率和低噪声等特点。

2）扫描系统

扫描系统用于改变激光束的方向，以实现对不同区域的扫描。这可以通过机械扫描、光学相控阵或微机电系统（MEMS）等技术实现。这些技术都是现有的，并且在激光雷达领域得到了广泛应用。

3）信号处理系统

信号处理系统用于接收和处理光接收系统收集到的信号。这部分可能包括高速数据采集模块（AD）、数字信号处理器（DSP）或现场可编程门阵列（FPGA）等组件。这些组件能够高效地将光信号转换为数字信号，并进行滤波、放大和解析等处理，以提取出有用的信息。

4）电源管理系统

电源管理系统负责为激光雷达的各个组件提供稳定的电源供应。这可能包括电源转换器、稳压器、电池等组件。这些组件都是现有的，并且可以根据激光雷达的具体需求进行选择和配置。

请注意，以上只是激光雷达中可能采用的一些现有成品组件的例子，并不构成完整的激光雷达系统。实际的激光雷达系统可能包含更多的组件和子系统。

此外，本申请还提供了一份接收光学系统设计方案实例，具体可以如下：

1、接收光学系统设计：

1.1接收光学系统方案设计：

设计要求：光接收口径100mm左右，光接收视场0～21mrad，其中小视场0～5mrad，大视场5～21mrad，光学透镜尽可能选择货架产品。水面光探测器光敏面Φ0.5mm，水底光探测器光敏面Φ8mm。

接收光学系统主要完成测距激光回波的接收，提高接收效率，有效区分水面与水底回波是接收光学系统的设计要点。为了实现接收光学系统小型化、轻量化以及低功耗的光学系统设计要求，综合考虑各种光路形式的优缺点及本次应用的实际需求，本光学系统采用场镜来区分水面和水底回波设计，如图3所示。

光学系统采用主镜直径为110mm的开普勒透射式远光路，链路包括水面探测链路和水底探测链路，水面探测链路和水底探测链路通过场镜分光，其中场镜为中心开孔的反射镜（即分视场反射镜），位于主镜的焦点处，有利于减小开孔的尺寸，从而减小水底探测链路的接收损耗。

1.2光学接收系统器件分析：

光学接收系统主要由开普勒扩束望远镜组、场镜、聚焦镜等器件组成。

开普勒扩束望远镜组由非球面主透镜、球面准直透镜组成。选用光接收主镜的有效通光口径110mm，焦距200mm，准直透镜的有效通光口径20mm，焦距25mm，与主透镜组成扩束比为8的开普勒式望远镜组。水面聚焦透镜的有效通光口径20mm，焦距12.5mm，与望远镜组组合后的有效焦距约为100mm。水底聚焦透镜的有效通光口径20mm，焦距50mm，与望远镜组组合后的有效焦距约为400mm。场镜的有效通光口径为椭圆形状，其外形尺寸大小为（长轴）5.66×（短轴）4mm，中间孔径大小为（长轴）1.97×（短轴）1.39mm，其表面镀银膜与保护性银膜。

1.3光学接收系统仿真：

根据接收光学系统的示意图以及上述设计参数分析，可以利用光学设计软件Zemax对接收光学系统进行仿真。

由于水面探测器的光敏面较小，约0.5mm，接收视场要求≤5mrad，经过光学仿真，水面探测接收光学系统的口径为110mm、焦距约101mm，则水面探测光学系统的接收视场为0.5mm/101mm＝4.95mrad，满足水面探测接收光学系统接收视场≤5mrad的要求。如图4、5所示，为水面探测接收光学系统仿真图以及接收视场仿真图。

由于水底探测器的光敏面较大，约φ8mm，接收视场要求5～21mrad，经过光学仿真，水面探测接收光学系统的口径为φ110mm、焦距约426mm，则水面探测光学系统的接收视场为8mm/426mm＝18.8mrad，场镜中心椭圆孔大小为（长轴）1.97×（短轴）1.39mm，主镜焦距为200mm，这场镜反射光的视场角≥1.39mm/200mm=6.9mrad，则水底探测器的接收视场为6.9～18.8mrad，满足水底探测接收光学系统接收视场5～21mrad的要求。如图6、7所示，为水底探测接收光学系统仿真图以及接收视场仿真图。

1.4特制光纤束替代场镜（分视场反射镜）：

按该实例中光学接收系统中的参数设计，场镜的椭圆外形尺寸为（长轴）5.66×（短轴）4mm，中心椭圆孔径尺寸为（长轴）1.97×（短轴）1.39mm，则特制光纤束输入端制作选择的参数为：中心光纤束直径Φ1.39mm，环绕中心光纤束的光纤束内径Φ1.39mm，外径Φ4mm。

综上所述，本申请具有以下技术效果：

（1）得益于特制光纤束的“中继”功能，光主镜、小视场光接收组件和大视场光接收组件三者相对独立，能够分别进行安装、调试和重新组装。这种分离式的设计使得装调工艺更为简便，降低了技术难度。

（2）特制光纤束的可弯曲性允许根据整机需求灵活设计光纤束的长度和安装位置。因此，大视场和小视场光接收组件作为独立的单元，其光轴无需与光接收主镜同轴，也不必垂直于主镜光轴，能够灵活地安装在整机内部的任意位置，从而优化了激光雷达整机内部空间的利用。

（3）大视场和小视场的光回波信号分别从特制光纤束的输出端B和A端耦合进入光探测器。借鉴光通信领域商业化的光纤准直器的常规工艺，选用通光口径较小、商业化的光准直镜、滤光片和光汇聚镜，有助于降低成本并实现系统的微型化。

（4）由于光纤传输中数值孔径的限制，大于光纤视场角的光信号无法在光纤中传输。只要光接收主镜的数值孔径设计与特制光纤束的数值孔径选择相匹配，并且大视场和小视场光接收组件采用镜筒封闭消光结构，则整个光接收系统将不会受到设定光接收视场以外（即大于35mrad的视场）的任何杂散光的干扰。

（5）大视场和小视场光接收组件的轻量化和体积缩小，有助于激光雷达整机实现轻量化和小型化。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种特制光纤束，其特征在于，包括：输入端、第一输出端和第二输出端；

所述输入端由中心多模光纤以及环绕中心光纤的环形多模光纤束构成；

所述第一输出端为中心多模光纤；所述第二输出端为输入端中环形多模光纤束合成的圆形光纤束。

2.根据权利要求1所述的一种特制光纤束，其特征在于，所述中心多模光纤为一根多模光纤或一多模光纤束。

3.根据权利要求2所述的一种特制光纤束，其特征在于，当所述中心多模光纤为一根多模光纤时，所述多模光纤的芯径范围为200～500µm。

4.根据权利要求2所述的一种特制光纤束，其特征在于，当所述中心多模光纤为多模光纤束时，所述多模光纤束中每一多模光纤的芯径范围为100～300µm；所述多模光纤束中每一多模光纤的芯径相同。

5.根据权利要求1所述的一种特制光纤束，其特征在于，所述环形多模光纤束中每一多模光纤的芯径范围为100～300µm；所述环形多模光纤束中每一多模光纤的芯径相同。

6.根据权利要求1所述的一种特制光纤束，其特征在于，所述中心多模光纤和所述环形多模光纤束中的多模光纤的材质采用石英玻璃材料。

7.一种基于特制光纤束的光接收系统，其特征在于，包括：光接收主镜、特制光纤束、小视场光接收组件和大视场光接收组件；

特制光纤束输入端的中心位于光接收主镜焦点；

特制光纤束的第一输出端与小视场光接收组件连接；

特制光纤束的第二输出端与大视场光接收组件连接。

8.根据权利要求6所述的一种基于特制光纤束的光接收系统，其特征在于，所述小视场光接收组件沿光路方向依次包括第一准直镜、第一滤光片、第一汇聚镜和第一光探测器。

9.根据权利要求6所述的一种基于特制光纤束的光接收系统，其特征在于，所述大视场光接收组件沿光路方向依次包括第二准直镜、第二滤光片、第二汇聚镜和第二光探测器。

10.一种基于光接收系统的激光雷达，其特征在于，包括：光接收系统；

所述光接收系统采用特制光纤束替代分视场反射镜；特制光纤束的第一输出端与小视场通道的光接收组件耦合；所述特制光纤束的第二输出端与大视场通道的光接收组件耦合。