一种激光雷达光学收发系统及其反馈调节方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，更具体地说，涉及一种激光雷达光学收发系统及其反馈调节方法。

背景技术

随着目前环境污染的不断加重，气象要素和污染物的探测就变得尤为重要。

基于高时间和空间分辨率的特性，激光雷达在对于风向、风速以及污染物传输方面的探测大有裨益；具体的，通过改变激光雷达出射激光的种类，比如对激光采用频域和时域上的调制，以改变与大气的作用特性，进而使激光雷达具有探测多种大气参数的能力，例如温度、气压、湿度和风速等大气参数的探测，以及失踪目标包括气溶胶、云和大气分子。

其中，光学收发系统是激光雷达的必备组件之一，其可以直接影响激光雷达的性能；对于光学收发系统而言，其发射模块和接收模块的光轴间距、光束准直性和视场角重叠因子会分别影响激光雷达的近场盲区大小、探测距离远近和数据的有效性。

但是，光学收发系统易受到温度和机械振动的影响，使得空间光耦合率和空间光到光纤系统耦合率降低，从而导致激光雷达信号衰减和盲区变大，严重影响激光雷达的稳定性。

因此，在激光雷达光学收发系统每次运行之间都需要对其进行调节，这就大大提高了激光雷达光学收发系统的维护成本。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种激光雷达光学收发系统及其反馈调节方法，技术方案如下：

一种激光雷达光学收发系统，所述激光雷达光学收发系统包括：

激光发射模块和激光接收模块；所述激光接收模块至少包括数据处理器；

设置在所述激光接收模块上的基于压电陶瓷的PID位移台以及温度探测器；

其中，所述数据处理器基于所述激光接收模块接收的雷达回波信号以及所述温度探测器探测的温度信息，控制所述PID位移台的工作状态，以调节所述雷达回波信号的线性度。

优选的，在上述激光雷达光学收发系统中，所述激光接收模块还包括：

接收望远镜、滤波器以及探测器；

所述接收望远镜、所述滤波器、所述探测器以及所述数据处理器依次连接。

优选的，在上述激光雷达光学收发系统中，所述激光发射模块包括：

激光器以及发射望远镜；

所述激光器用于输出532nm的激光信号至所述发射望远镜。

优选的，在上述激光雷达光学收发系统中，所述激光发射模块包括：

种子激光器、光电调制器、脉冲光纤放大器、大模场光纤以及发射望远镜；

所述种子激光器、所述光电调制器、所述脉冲光纤放大器、所述大模场光纤以及所述发射望远镜依次连接。

一种激光雷达光学收发系统的反馈调节方法，应用于上述任一项所述的激光雷达光学收发系统，所述反馈调节方法包括：

判断是否对所述激光雷达光学收发系统进行修正；

若是，则依据所述温度探测器探测的温度信息确定修正方向；

进行修正操作，以使所述雷达回波信号的线性度满足预设线性度要求。

优选的，在上述反馈调节方法中，所述判断是否对所述激光雷达光学收发系统进行修正，包括：

计算所述激光接收模块接收的雷达回波信号的线性度；

依据所述线性度，判断所述雷达回波信号是否为线性；

若否，则执行依据所述温度探测器探测的温度信息确定修正方向，这一步骤。

优选的，在上述反馈调节方法中，所述进行修正操作，以使所述雷达回波信号的线性度满足预设线性度要求，包括：

进行第一次修正操作，以使所述激光接收模块接收到的总光子数达到最大；

进行第二次修正操作，以使所述雷达回波信号的线性度满足预设线性度要求。

优选的，在上述反馈调节方法中，所述以使所述雷达回波信号的线性度满足预设线性度要求，包括：

以使所述雷达回波信号的线性度大于85％。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

本发明提供的一种激光雷达光学收发系统，通过在激光雷达接收端(即激光接收模块)增加基于压电陶瓷的反馈调节系统(即基于压电陶瓷的PID位移台以及温度探测器)，结合相应的反馈调节算法，完成对机械和光路变化的自适应修正，实现了激光雷达光学收发系统的稳定运行，进而极大程度的降低了激光雷达光学收发系统的维护成本，也提高了激光雷达的数据有效性和探测距离。

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，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种激光雷达光学收发系统的原理结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种激光雷达光学收发系统的原理结构示意图；

图3为本发明实施例提供的又一种激光雷达光学收发系统的原理结构示意图；

图4为本发明实施例提供的又一种激光雷达光学收发系统的原理结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种望远镜的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种激光雷达光学收发系统的反馈调节方法的流程示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种激光雷达光学收发系统的反馈调节方法的流程示意图；

图8为本发明实施例提供的一种望远镜在温度从23℃变化到27℃时的形变示意图；

图9为本发明实施例提供的又一种激光雷达光学收发系统的反馈调节方法的流程示意图；

图10为本发明实施例提供的一种雷达回波信号修正前后的示意图。

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。

在本发明的发明创造过程中，发明人发现，相干探测激光雷达主要用于边界层内大气参数的探测，直接探测激光雷达可以覆盖更远距离和更高高度的大气参数探测。

法国上普罗旺斯天文台首次采用双边缘法布里珀罗干涉仪作为鉴频器，实现长达50公里的风力探测；阿雷西博天文台开发了一种基于单法布里珀罗干涉仪的瑞利激光雷达，实现近60km高度的风测量；随着科学技术的不断进步，扫描电压的法布里珀罗干涉仪被分子碘过滤器取代。

在挪威安第斯附件的阿洛玛研究站中，法布里珀罗干涉仪和碘过滤器都被用于高空风测量，并且基于大量的实验证明之后，发现其能测量80公里以内的风和温度。需要说明的是，中国科学技术大学的研究在2014年也实现了60km的高空风场探测。

进一步的，随着科学技术的不断发展，相干测风激光雷达的激光波长也在不断发生变化，最早采用的是二氧化碳激光器作为光源，然后1064nm的激光器被开发作为相干测风激光波长，但是使用这一波长的测风最大距离一般在5km左右，之后2um的相干测风激光雷达在20世纪90年代开始成为主流。

在进入21世纪之后，国内外出现了大量使用1.5μm波长的大气风场观测，同时355nm的激光雷达也被广泛应用于测量30km-70km高度范围内的大气密度、温度和风场。

但是，在气溶胶探测中，大部分的气溶胶激光雷达采用1064nm和532nm作为工作波长垂直向上观测。反演结果包括气溶胶向后散射系数廓线、消光系数廓线、激光雷达比廓线和边界线高度等。

其中，1.5μm波长的激光雷达具有人眼安全、瑞利散射干扰小、天空背景辐射干扰小、大气衰减率小等优势，是目前科研技术正在积极发展的一种趋势。

美国Mayor通过甲烷腔中的受激拉曼散射效应，研制成功了一种焦耳级别的大脉冲能量的1.5μm波长的激光器，并应有在激光雷达中，实现了对大气和风场的探测。

进一步的，美国国家大气研究中心也会采用拉曼频移的方法将激光器输出的1064nm激光频移至1.5μm进行气溶胶探测。需要说明的是，中国科学技术大学对于1.5μm能见度激光雷达和气溶胶激光雷达也进行了许多相关研究。

进一步的，发明人在本发明的发明创造过程中发现，光学收发系统是激光雷达的必备组件之一，其可以直接影响激光雷达的性能；对于光学收发系统而言，其发射模块和接收模块的光轴间距、光束准直性和视场角重叠因子会分别影响激光雷达的近场盲区大小、探测距离远近和数据的有效性。

但是，光学收发系统易受到温度和机械振动的影响，使得空间光耦合率和空间光到光纤系统耦合率降低，从而导致激光雷达信号衰减和盲区变大，严重影响激光雷达的稳定性。

因此，在激光雷达光学收发系统每次运行之间都需要对其进行调节，这就大大提高了激光雷达光学收发系统的维护成本。

基于此，本发明提供了一种基于压电自适应反馈调节的激光雷达光学收发系统，通过在激光雷达接收端增加基于压电陶瓷的反馈调节系统，结合相应的反馈调节算法，完成对机械和光路变化的自适应修正，实现了激光雷达光学收发系统的稳定运行，进而极大程度的降低了激光雷达光学收发系统的维护成本，也提高了激光雷达的数据有效性和探测距离。

为使本发明的上述目的、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发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种激光雷达光学收发系统的原理结构示意图。

所述激光雷达光学收发系统包括：

激光发射模块1和激光接收模块2；所述激光接收模块2至少包括数据处理器21；

设置在所述激光接收模块2上的基于压电陶瓷的PID(Proportion IntegralDifferential，即比例、积分和微分)位移台22以及温度探测器23；

其中，所述数据处理器21基于所述激光接收模块2接收的雷达回波信号以及所述温度探测器23探测的温度信息，控制所述PID位移台22的工作状态，以调节所述雷达回波信号的线性度。

在该实施例中，通过在激光雷达接收端(即激光接收模块)增加基于压电陶瓷的反馈调节系统(即基于压电陶瓷的PID位移台以及温度探测器)，结合相应的反馈调节算法，完成对机械和光路变化的自适应修正，实现了激光雷达光学收发系统的稳定运行，进而极大程度的降低了激光雷达光学收发系统的维护成本，也提高了激光雷达的数据有效性和探测距离。

可选的，在本发明另一实施例中，参考图2，图2为本发明实施例提供的另一种激光雷达光学收发系统的原理结构示意图。

所述激光接收模块2还包括：

接收望远镜24、滤波器25以及探测器26；

所述接收望远镜24、所述滤波器25、所述探测器26以及所述数据处理器21依次连接。

在该实施例中，所述接收望远镜24与所述滤波器25的输入端相连，所述滤波器25的输出端与所述探测器26的输入端相连，所述探测器26的输出端与所述数据处理器21相连。

需要说明的是，基于压电陶瓷的PID位移台22以及温度探测器23，包括但不限定于固定在所述滤波器25和所述探测器26上，通过调节所述探测器26来实现雷达回波信号的最优化。

可选的，在本发明另一实施例中，参考图3，图3为本发明实施例提供的又一种激光雷达光学收发系统的原理结构示意图。

所述激光发射模块1包括：

种子激光器11、光电调制器12、脉冲光纤放大器13、大模场光纤14以及发射望远镜15；

所述种子激光器11、所述光电调制器12、所述脉冲光纤放大器13、所述大模场光纤14以及所述发射望远镜15依次连接。

在该实施例中，所述种子激光器11用于输出连续的激光；所述种子激光器11的输出端与所述光电调制器12的输入端连接，所述光电调制器12的输出端与所述脉冲光纤放大器13的输入端连接，所述脉冲光纤放大器13的输出端与所述大模场光纤14的输入端连接，所述大模场光纤14的输出端与所述发射望远镜15的输入端连接，经所述发射望远镜15出射。

如图3所示的激光雷达光学收发系统可作为1.5μm的气溶胶探测激光雷达系统。

可选的，在本发明另一实施例中，参考图4，图4为本发明实施例提供的又一种激光雷达光学收发系统的原理结构示意图。

所述激光发射模块1包括：

激光器16以及发射望远镜15；

所述激光器16用于输出532nm的激光信号至所述发射望远镜。

在该实施例中，如图4所示的激光雷达光学收发系统可作为532nm的气溶胶探测激光雷达系统。

可选的，参考图5，图5为本发明实施例提供的一种望远镜的结构示意图；

图5中大概示意出了各个组件的大致位置，其中发射接收透镜安装面指的是发射望远镜15和接收望远镜24的透镜安装面；温度探头和调节台指的是基于压电陶瓷的PID(Proportion IntegralDifferential，即比例、积分和微分)位移台22以及温度探测器23。

可选的，基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种激光雷达光学收发系统的反馈调节方法，参考图6，图6为本发明实施例提供的一种激光雷达光学收发系统的反馈调节方法的流程示意图。

该反馈调节方法应用于上述实施例所述的激光雷达光学收发系统，所述反馈调节方法包括：

S101：判断是否对所述激光雷达光学收发系统进行修正。

S102：若是，则依据所述温度探测器探测的温度信息确定修正方向。

S103：进行修正操作，以使所述雷达回波信号的线性度满足预设线性度要求。

在该实施例中，所述反馈调节方法还包括：当所述激光雷达光学收发系统不需要进行修正时，则退出修正模式。

其中，步骤S103中所述以使所述雷达回波信号的线性度满足预设线性度要求，包括：

以使所述雷达回波信号的线性度大于85％，也就是说，雷达回波信号的线性度至少能达到85％。

需要说明的是，基于不同的应用场景需求，对雷达回波信号线性度的要求也会有所不同，在此仅仅以85％为例进行说明，对其数值并不作限定。

可选的，在本发明另一实施例中，参考图7，图7为本发明实施例提供的另一种激光雷达光学收发系统的反馈调节方法的流程示意图。

步骤S101中判断是否对所述激光雷达光学收发系统进行修正，包括：

S1011：计算所述激光接收模块接收的雷达回波信号的线性度。

S1012：依据所述线性度，判断所述雷达回波信号是否为线性。

若否，则执行依据所述温度探测器探测的温度信息确定修正方向，这一步骤。

在该实施例中，根据雷达回波信号是否为线性，来判断是否需要对所述激光雷达光学收发系统进行修正。

在忽略本底噪声时的激光雷达方程为：

其中，P(r)是时间t时刻接收到的雷达回波信号功率；

P

c是激光传播的介质中的光速；

τ是激光的脉宽，由激光器指标决定；

A是接收望远镜的有效接收面积；

r＝c(t-t

β(r)和σ(r)分别是大气中总的向后散射系数和消光系数。

在计算过程中，使用取对数后的距离修正信号S(r)会大大提高运算速度：

S(r)＝In[r

若选取一个参考点，其距离激光出射位置r

其中，S

再将上式对距离求微分可以得到：

当激光雷达探测的大气比较均匀时，可认为向后散射系数随距离不发生变化，那么上式右边第一项便可以约掉，即：

其中，σ

可以看出，距离修正信号S为一条直线。

因此，若所述激光接收模块接收的雷达回波信号不具有线性特性时，则可以认为望远镜发生了形变，则需要对其进行修正。

参考图8，图8为本发明实施例提供的一种望远镜在温度从23℃变化到27℃时的形变示意图。其中，点的密集程度越大表示形变程度越大，相应地，点越稀疏表示形变程度越小。

对不同温度下望远镜所产生的热形变进行分析，可以得到预设位置(大概是滤波器和探测器的位置)的大致位移，再结合压电陶瓷的磁滞曲线，可以确定修正方向，即正向修正还是反向修正。

需要说明的是，在一定探测距离下，需要结合雷达回波信号的线性度，以及探测环境的能见度，来综合判断激光雷达光学收发系统是否需要进行修正。

若需要进行修正，则根据温度探测器探测到的当下温度，确定修正方向。

可选的，在本发明另一实施例中，参考图9，图9为本发明实施例提供的又一种激光雷达光学收发系统的反馈调节方法的流程示意图。

步骤S103中进行修正操作，以使所述雷达回波信号的线性度满足预设线性度要求，包括：

S1031：进行第一次修正操作，以使所述激光接收模块接收到的总光子数达到最大；

S1032：进行第二次修正操作，以使所述雷达回波信号的线性度满足预设线性度要求。

在该实施例中，第一次修正操作可以理解为粗修正调节，例如调节的步进为1um，调节目标是使得所述激光接收模块接收到的总光子数达到最大；此时也就说明对望远镜的形变能修正到一个相对较好的位置。

第二次修正操作可以理解为细修正调节，例如调节的步进为100nm，调节目标是使得在一定的探测距离下，在保证较好的能见度时，雷达回波信号的线性度能达到85％左右，此时可以认为调节到了最优位置，雷达回波信号达到了最优化。

参考图10，图10为本发明实施例提供的一种雷达回波信号修正前后的示意图。

可以看到，经过修正后激光雷达接收到的光子总数达到了最大，同时雷达回波信号也达到了较好的线性度，明显提高了雷达接收到的信号质量。

以上对本发明所提供的一种激光雷达光学收发系统及其反馈调节方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，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发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。