[发明专利]一种基于光纤模场适配器的激光雷达

说明书

本发明公开了一种基于光纤模场适配器的激光雷达。本发明提出将光纤模场适配器用于激光雷达的望远镜中，其中，光纤模场适配器的输入端为大模场光纤端，其与光学收发模块的输出端连接，用于接收大气回波信号，而光纤模场适配器的输出端为小模场光纤，其与光学接收机连接，小模场光纤利于进行光学滤波和光信号的提取，从而降低了激光雷达的成本。本发明利于光纤模场适配器巧妙地解决了现有激光雷达对于接收信号视场角和光学数据处理的矛盾，在保证回波信号耦合效率的同时，扩大视场角，提高激光雷达性能，并能够满足光学接收机和光电探测器对小模场的要求，减小后续数据处理难度，提高了激光雷达的整体性能和应用范围。

技术领域

本发明涉及激光雷达，尤其涉及一种基于光纤模场适配器的激光雷达。

背景技术

气象激光雷达的基本原理是：出射激光脉冲与大气相互作用，采用光学天线收集大气后向散射信号后输入光学接收机，经光电探测和数据处理后，得出一系列关键大气参数。诸如气溶胶浓度、PM2.5值、云高、温度、湿度、能见度、大气成分(如水汽、各种污染气体)等。

激光雷达要求接收望远镜的视场角大于发射激光的发散角。本发明的发明人发现，在激光雷达设计时，为了满足上述要求，一方面需减小发射激光的发散角，这可以通过增大发射望远镜的焦距，以提高扩束倍率来实现；另外一方面需增大接收望远镜的视场角，这可以通过减小望远镜的焦距或者增大耦合光纤的模场面积来实现。

本发明的发明人发现，增大发射望远镜的焦距会带来望远镜模块体积的增大，并且由于增大焦距，激光光束更容易受到震动和环境温湿压变化的影响，从而降低系统的稳定性。而在接收望远镜端，当耦合光纤的数值孔径NA一定时，减小望远镜的焦距，将造成接收望远镜的有效接收面积的减小，从而降低激光雷达的探测性能；如果采用大模场光纤耦合，则后续的光信号处理需采用大模场光纤，这大大提高了光信号探测和处理的难度，有些光学接收机无法使用大模场光纤工作，另外，多模光电探测器也存在代价高、性能差的问题。因此，大模场光纤限制了某些激光雷达，尤其是测风激光雷达、退偏振激光雷达和测温激光雷达的应用。这些缺陷，极大地限制了激光雷达的发展。

发明内容

本发明的发明人经过研究发现：通过采用光纤模场适配器，可实现从大模场光纤到小模场光纤的转换。

本发明的目的之一在于，提供一种基于光纤模场适配器的激光雷达，相比于目前使用的激光雷达的耦合装置，具有接收望远镜视场大，收发望远镜系统小巧，光信号探测和处理。

为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：一种基于光纤模场适配器的激光雷达，包括：光源模块、光学收发模块、光纤模场适配器、光学接收机、信号采集模块和信号处理模块；其中：

所述光源模块包括激光器单元和激光放大器，所述激光器单元用于输出激光脉冲；所述激光放大器用于放大所述激光器单元输出的激光脉冲；

所述光学收发模块用于接收激光放大器输出的激光光束，并将接收的激光光束入射至探测目标，并接收所述探测目标后向散射的回波信号；

所述光纤模场适配器用于实现回波信号从大模场光纤端到小模场光纤端的转换，所述光纤模场适配器包括大模场光纤端和小模场光纤端，所述大模场光纤端的模场面积大于所述小模场光纤端的模场面积；所述的大模场光纤端与光学收发模块的输出端连接，所述小模场光纤端与光学接收机连接；

所述光学接收机用于接收和处理所述回波信号，以提取所述回波信号携带的光学信息；

所述信号采集模块用于采集光学接收机输出的光信号；

所述信号处理模块用于处理信号采集模块采集的电信号，并根据预设的算法获得目标参数信息。