申请/专利权人：中国科学技术大学

申请日：2019-06-14

公开（公告）日：2024-01-09

公开（公告）号：CN110187358B

主分类号：G01S17/894

分类号：G01S17/894;G01S7/481;G01S7/487

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.01.09#授权;2019.09.24#实质审查的生效;2019.08.30#公开

摘要：本公开提供一种收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，包括：偏振光源，发出偏振光；透反射分束模块，包括穿孔反射镜，用于处理偏振光；望远镜，用于接收透反射分束模块处理后的、沿收发同轴光路输入的偏振光并出射至远距离目标，再接收由远距离目标反射后的回波；组合滤波器，与透反射分束模块相连，对透反射分束模块反射的回波光谱滤波；耦合透镜，与组合滤波器相连，用于将组合滤波器滤波后的回波进行聚束；检偏器，与耦合透镜相连，用于将耦合透镜聚束后的回波中的相互正交的偏振光分离；单光子探测器，与偏振分束器相连，用于探测从偏振分束器中透过的回波光子；以及信号源，用于向偏振光源发出触发信号，同时向单光子探测器发出门控信号。

主权项：1.一种应用在数十公里的远距离激光三维成像中的收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，包括：偏振光源，发出偏振光；透反射分束模块，包括斜向设置的穿孔反射镜，用于处理所述偏振光；望远镜，用于接收所述透反射分束模块处理后的、沿收发同轴光路输入的偏振光并出射至远距离目标，再接收由远距离目标反射后的回波；组合滤波器，与所述透反射分束模块相连，用于对所述透反射分束模块反射的回波光谱滤波；耦合透镜，与所述组合滤波器相连，用于将组合滤波器滤波后的回波进行聚束；检偏器，与所述耦合透镜相连，用于将所述耦合透镜聚束后的回波中的相互正交的偏振光分离；单光子探测器，与偏振分束器相连，用于探测从所述偏振分束器中透过的回波光子；以及信号源，用于向所述偏振光源发出触发信号，同时向所述单光子探测器发出门控信号；所述偏振光源，包括：脉冲激光器，用于产生脉冲光；极化分束器，用于将所述脉冲激光器产生的脉冲光起偏成水平偏振光；以及半波片，其主轴与入射光的偏振方向夹角按45°设置，用于将所述水平偏振光处理为垂直偏振光；所述组合滤波器包括一片长带通滤波片，以及一片窄带通滤波片；收发同轴光路包括扫描光路、缩聚束光路；所述单光子探测器为门控模式，开门时间设定在所述脉冲光产生时刻后的1us-10us。

全文数据：收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统技术领域本公开涉及激光雷达领域，尤其涉及一种收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统。背景技术激光雷达常使用扫描成像的方式，通过发射激光光束在飞行时间扫描成像的方式实现对一个场景的三维成像，飞行时间的测量提供深度信息，二维的扫描提供该深度的方位信息，整合后通过有效的数据处理重构出场景的三维图像。在远距离的三维成像应用中，室外的场景常常带有大量的太阳辐射背景，造成采集的数据带有大量的噪声。如何抑制太阳背景噪声已成为一个重要的技术问题。而除了太阳背景噪声外，还有由于发射光束通过本地的光学器件产生大量的后向散射所引入的大量本地噪声。特别是为了提高发射功率的利用效率，拓展更宽的工作距离范围，使远方的光斑中心和视场中心在不同的成像距离都能够保持重合，而使用收发同轴设计的时候，即使在镜片镀上增透膜或增反膜，由于远距离成像的高发射功率要求和相对极微弱的回波信号，对本地噪声的抑制有着非常苛刻的要求。本地噪声的抑制成为远距离主动成像的一个技术难题。一般的激光雷达会采用一些手段进行降噪，例如使用光谱滤波片，一般采用纳米级带宽的带宽滤波片，放置在接收光路之中，只探测发射激光波长附近一小部分数纳米，以此来减少太阳光噪声的接收。而本地散射噪声，则主要会采用非同轴收发的方式，也是目前已实用的激光雷达产品多采用的方式。但非同轴收发的方式接受视场和发射视场会存在视差，这使雷达难以同时适用于近距离和远距离。而使用同轴收发的方式的雷达，一般采用大功率的光源来保证较高信噪比的数据采集，但鲜有超过十公里级的成像能力。除此以外，使用一些探测技术也能够在一定程度上减少噪声的影响，在文献[1]中，作者提出了采用分束后使用两个单光子探测器同时测量，并对测量结果进行与操作后再进行记录。这样的方法能够降低背景噪声和探测器暗计数带来的噪声计数，但因为‘与操作’的存在，也降低了对信号光子的探测效率，需要每个脉冲返回的信号光子数足够多，在文献中提出，当每个脉冲返回的信号光子数大于10个时，该方案可以有效地降低噪声计数，且保证足够的信号光子计数。这样的方案在近距离情况下可以适用，但在达到几十公里的远距离成像情况下，很难保证每个脉冲返回超过10个信号光子。除了通过硬件的技术手段，更多的还是通过数据后处理来从噪声计数中最大程度的还原信号计数。[1].KongHJ，KimTH，JoSE，eta1.Smartthree-dimensionalimagingladarusingtwoGeiger-modeavalanchephotodiodes[J].Opticsexpress，2011，1920：19323-19329.公开内容一要解决的技术问题基于上述问题，本公开提供了一种收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，以缓解现有技术中激光雷达中存在的高噪声、信噪比低，成像距离较近等技术问题。二技术方案本公开提供一种收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，包括：偏振光源，发出偏振光；透反射分束模块，包括穿孔反射镜，用于处理所述偏振光；望远镜，用于接收所述透反射分束模块处理后的、沿收发同轴光路输入的偏振光并出射至远距离目标，再接收由远距离目标反射后的回波；组合滤波器，与所述透反射分束模块相连，用于对所述透反射分束模块反射的回波光谱滤波；耦合透镜，与所述组合滤波器相连，用于将组合滤波器滤波后的回波进行聚束；检偏器，与所述耦合透镜相连，用于将所述耦合透镜聚束后的回波中的相互正交的偏振光分离；单光子探测器，与所述偏振分束器相连，用于探测从所述偏振分束器中透过的回波光子；以及信号源，用于向所述偏振光源发出触发信号，同时向所述单光子探测器发出门控信号。在本公开实施例中，所述偏振光源，包括：脉冲激光器，用于产生脉冲光；极化分束器，用于将所述脉冲激光器产生的脉冲光起偏成水平偏振光；以及半波片，其主轴与入射光的偏振方向夹角按45°设置，用于将所述水平偏振光处理为垂直偏振光。在本公开实施例中，所述组合滤波器为滤波片的组合，所述滤波片包括一片长带通滤波片以及一片窄带通滤波片。在本公开实施例中，所述穿孔反射镜斜向设置。在本公开实施例中，所述检偏器过滤回波中与发射激光偏振方向相同的分量，留下偏振方向不同的分量进行探测，实现偏振隔离去噪。在本公开实施例中，所述检偏器过滤回波中垂直偏振光，留下水平偏振光耦合进光纤中实现偏振隔离去噪。在本公开实施例中，所述光纤芯径25～105um。在本公开实施例中，所述检偏器中包括：偏振分束器。在本公开实施例中，所述单光子探测器为门控模式，开门时间设定在所述脉冲光产生时刻后的1us-10us。在本公开实施例中，所述收发同轴光路包括：扫描光路、缩聚束光路。三有益效果从上述技术方案可以看出，本公开收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：1通过检偏器或者偏振分束器的简单组合利用，即可有效抑制采用同轴收发系统的本地器件噪声，使用器件少，可在基本光路基础上扩展；2能够有效抑制主动激光成像系统中，因采用含有高功率光纤放大器的光源带来的全时间存在，难以利用光谱特性过滤的ASE噪声的问题；3拓展了主动激光成像的成像距离；4满足远距离激光主动三维成像需求的去噪效果；5有效抑制接收到的太阳光噪声和本地噪声；6显著抑制本地ASE后向散射噪声；7应用在数十公里的远距离激光三维成像中，能够提高信噪比，减低算法重构的难度，提高算法重构的准确度。附图说明图1为本公开实施例收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统架构示意图。图2为本公开实施例收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统具体实施示意图。具体实施方式本公开提供了一种收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，在原有包括空间滤波、光谱滤波和时间滤波等传统去噪方法的基础上，提出偏振隔离去噪方法，并将多种去噪手段综合使用，最终达到满足远距离激光主动三维成像需求的去噪效果；其在收发同轴式的远距离激光成像中，利用偏振隔离的方法，隔离偏振不同的信号光和噪声光，减少噪声光子的接收探测。空间滤波，包括使用芯径较小的光纤作为耦合器件，利用光纤接收光束空间模式的限制作用起到空间滤波的作用，有效抑制接收到的太阳光噪声。光谱滤波，使用频谱宽度较窄的脉冲光纳米级或优于纳米级，在接收回波前增加光谱滤波器，过滤非激光频宽内的光谱能量，有效抑制接收到的太阳光噪声。时间滤波，使用门控模式工作的单光子探测器，在发射光束刚开始发射的时候关闭其探测使能，在超过本地噪声返回时间后打开使能探测有效的回波信号，有效抑制本地噪声但是即使使用上述的降噪方法后，在远距离成像的应用中，若采用了最为常用的光纤脉冲激光器作为光源，则会受到放大器自发辐射AmplifierSpontaneousemissionnoise，ASE噪声的严重影响。这是由于光源中包含了用于把种子脉冲能量放大的激光功率放大器，在把脉冲功率放大的过程中，会产生了大量的放大器自发辐射噪声，且只要放大器持续工作，噪声在全时间都会存在。激光器发出的放大自发辐射噪声与发射光脉冲的功率成正比，又因为远距离主动成像中有较强的发射功率需求，大功率的发射会带来大量的ASE噪声，所以经过本地光学元件的反射后，ASE本地噪声成为主要的本地噪声，也是影响成像质量的主要因素。由于ASE的光谱成分与发射脉冲交叠，只要放大器持续工作则全时间都会存在，上述的滤波方法都不能有效抑制这一噪声。基于偏振的同轴偏振隔离去噪方法则是我们提出本申请的关键，能够利用偏振特性，抑制在远距离主动成像时，高功率发射带来的本地ASE后向反射噪声。本地散射光主要发生在光滑的光学元器件表面，主要为镜面反射，这种反射对偏振的退化不显著，多数的反射光保持了原有的偏振。相反，发射出去的偏振光照亮粗糙的目标物体表面后，发生的主要为漫反射，偏振显著退化，目标表面越粗糙，这种退偏振的情况越显著，一般的自然目标都具有表面粗糙的特点。当表面足够粗糙时，偏振完全退化为随机偏振，这等效于回波中将会有50％的光变为与发射光正交的偏振态。利用上述特性，发射既定的线偏振光，经过物体的漫反射后，系统接收和其正交的另一个偏振方向的发射光。以收集回波强度下降到原来的～50％为代价，只收集回波光信号中与发射光束偏振正交的成分，起到显著抑制本地ASE后向散射噪声的作用。本公开可以具体应用在数十公里的远距离激光三维成像中，能够提高信噪比，减低算法重构的难度，提高算法重构的准确度。本公开整合上述几种降噪方式，脉冲光源采用线偏振光源，出射的激光则可以通过透反射分束模块透射，通过收发同轴光路再通过望远镜镜头发射。光束照明目标后反射回波信号。回波信号返回被望远镜镜头接收后进入收发同轴光路，在收发同轴光路中包括一些扫描光路或缩聚束光路等，再通过光束分束模块在共轴光路上分离到接收部分，接着通过组合滤波器实现光谱滤波，再经过耦合系统，由检偏器过滤回波光子中与发射激光偏振方向相同的分量，留下垂直分量耦合进较小口径的光纤中实现空间滤波，最终传输到单光子探测器探测。使用门控模式工作的单光子探测器，在发射光束刚开始发射的时候关闭其探测使能，在超过本地噪声返回时间后打开使能，实现时间滤波，有效抑制本地噪声。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。在本公开实施例中，提供一种收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，结合图1和图2所示，所述收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，包括：偏振光源，发出偏振光；透反射分束模块，包括穿孔反射镜，用于处理所述偏振光；望远镜，用于接收所述透反射分束模块处理后的、沿收发同轴光路输入的偏振光并出射至远距离目标，再接收由远距离目标反射后的回波；所述回波沿所述收发同轴光路返回至透反射分束模块，并被所述穿孔反射镜反射；组合滤波器，与所述透反射分束模块相连，用于对所述透反射分束模块处反射的回波光谱滤波；耦合透镜，与所述组合滤波器相连，用于将组合滤波器滤波后的回波进行聚束；偏振分束器，与所述耦合透镜相连，用于将所述耦合透镜聚束后的回波中的相互正交的偏振光分离；在本公开实施例中，所述检偏器过滤回波光子中与发射激光偏振方向相同的分量，水平偏振光透过而反射其中的垂直偏振光，留下水平分量耦合进较小口径的光纤中实现偏振隔离去噪；单光子探测器，与所述偏振分束器相连，用于探测从所述偏振分束器中透过的回波中的光子；信号源，用于向所述偏振光源发出触发信号，同时向所述单光子探测器发出门控信号。所述偏振光源，包括：脉冲激光器，用于产生脉冲光；极化分束器，用于将所述脉冲激光器产生的脉冲光起偏成水平偏振光；以及半波片，波片主轴与入射光的偏振方向夹角按45°设置，用于将所述水平偏振光处理为垂直偏振光。所述组合滤波器为滤波片的组合，所述滤波片包括一片长带通滤波片以及一片窄带通滤波片。在本实例系统中使用一个门控的单光子探测器实现时间滤波；本公开实施例中，收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统中使用62.5um芯径的多模光纤作为耦合光纤起到空间滤波的作用，使用芯径较小的光纤作为耦合器件，利用光纤接收光束空间模式的限制作用，实现空间滤波，并兼顾了空间光耦合效率；所述穿孔反射镜斜向设置，达到同轴收发光路中偏振光的透过和分离；使得激光脉冲高效率发射，并把接收的回波光子导向探测光路；所述收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统的工作原理为：脉冲光激光器工作在外部触发的方式产生脉冲光，利用极化分束器Polarizationbeamsplitter，PBS配合半波片将脉冲光起偏成垂直偏振的光后透过穿孔反射镜由望远镜出射。激光在自由空间进行远距离传播后经由目标反射直到被望远镜接收。带有偏振特性的激光经过目标反射后，其偏振特性将会在一定程度上发生退偏振，而偏振改变的光子带有的路径飞行时间不受影响；因此当回波被穿孔发射镜反射，并通过组合滤波器过滤大部分太阳背景噪声，再由耦合透镜聚束，经过一个检偏器包括偏振分束器PBS后，耦合进耦合光纤。偏振分束器是让水平偏振的光直接透过，而反射垂直偏振的光，相互正交的偏振光将被分离，其中透过的水平偏振光光子将被单光子探测器探测到。同时，本地由于器件镜面发射后向传播到这里仍然保持垂直偏振，被偏振分束器反射过滤掉。在探测器方面，我们设置所述单光子探测器探测的工作时刻为脉冲激光两个脉冲之间的一段时间，所述脉冲激光器工作在100kHz固定重复频率下，开门时间设定在脉冲产生时刻后的1us-10us，两个信号由同一个信号发生器产生，保证了时钟同源，这样做是为了避免探测到本地光学器件产生的回波信号。在本地回波出现的时刻之后开始让单光子探测器处于探测状态，这时候，探测器几乎不会受到本地回波的影响。至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：1检偏器还可以用偏振分束器来代替；2组合滤波器可以用组合滤波片组合来代替；依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统有了清楚的认识。综上所述，本公开提供了一种收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，能够让单光子探测器探测到来自太阳背景、本地器件回波和本地ASE向后噪声光子有效减少，更多地探测到目标的信号光子，提高测量数据的信噪比，最终能够增强目标成像质量和拓展成像距离。还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书包括伴随的权利要求、摘要和附图中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书包括伴随的权利要求、摘要和附图中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

权利要求：1.一种收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，包括：偏振光源，发出偏振光；透反射分束模块，包括穿孔反射镜，用于处理所述偏振光；望远镜，用于接收所述透反射分束模块处理后的、沿收发同轴光路输入的偏振光并出射至远距离目标，再接收由远距离目标反射后的回波；组合滤波器，与所述透反射分束模块相连，用于对所述透反射分束模块反射的回波光谱滤波；耦合透镜，与所述组合滤波器相连，用于将组合滤波器滤波后的回波进行聚束；检偏器，与所述耦合透镜相连，用于将所述耦合透镜聚束后的回波中的相互正交的偏振光分离；单光子探测器，与所述偏振分束器相连，用于探测从所述偏振分束器中透过的回波光子；以及信号源，用于向所述偏振光源发出触发信号，同时向所述单光子探测器发出门控信号。2.根据权利要求1所述的收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，所述偏振光源，包括：脉冲激光器，用于产生脉冲光；极化分束器，用于将所述脉冲激光器产生的脉冲光起偏成水平偏振光；以及半波片，其主轴与入射光的偏振方向夹角按45°设置，用于将所述水平偏振光处理为垂直偏振光。3.根据权利要求1所述的收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，所述组合滤波器为滤波片的组合，所述滤波片包括一片长带通滤波片以及一片窄带通滤波片。4.根据权利要求1所述的收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，所述穿孔反射镜斜向设置。5.根据权利要求1所述的收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，所述检偏器过滤回波中与发射激光偏振方向相同的分量，留下偏振方向不同的分量进行探测，实现偏振隔离去噪。6.根据权利要求5所述的收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，所述检偏器过滤回波中垂直偏振光，留下水平偏振光耦合进光纤中实现偏振隔离去噪。7.根据权利要求6所述的收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，所述光纤芯径25～105um。8.根据权利要求1所述的收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，所述检偏器中包括：偏振分束器。9.根据权利要求1所述的收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，所述单光子探测器为门控模式，开门时间设定在所述脉冲光产生时刻后的1us-10us。10.根据权利要求1所述的收发同轴式激光雷达的偏振隔离去噪系统，所述收发同轴光路包括：扫描光路、缩聚束光路。

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