一种偏振不敏感的激光雷达及测距方法与流程

本发明涉及激光雷达测距，特别涉及一种偏振不敏感的激光雷达及测距方法。

背景技术：

1、雷达在军事、民航、自动驾驶等领域具有非常重要的作用。激光雷达由于采用波长较短的激光作为信息载波，因而具有较高的分辨率，可用于对目标进行探测、跟踪和识别，以及进行测距、成像。

2、信噪比是激光雷达探测中非常重要的一个指标，能够直接影响系统的性能。现有技术中，采用光子计数法的激光雷达可以达到较远的测距范围，这是由于单光子探测器具有较高的灵敏度，但是其工作时需要降温至-30℃以下来降低暗计数，因此成本和复杂度较高，不利于小型化。对于日光背景噪声，只能通过滤波器进行滤波，在滤噪的同时真实信号会有一定的损失，因此在白天信噪比较低，难以正常工作。授权公告号为cn118011415b的中国发明专利提出一种通过相位编码并将回波信号干涉后进行差分的方式，可以实现较好的降噪效果。然而，该方案需要使用2个激光器，并且当目标对光信号退偏时，需要对回波信号进行偏振处理，如采用偏振滤波，会造成回波信号损耗，降低信噪比。

技术实现思路

1、针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种偏振不敏感的激光雷达及测距方法。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种偏振不敏感的激光雷达，包括激光器ld、第一环形器cir1、第一集成光芯片、光开关os、光放大模块、发射光路、接收光路、第二环形器cir2、第二集成光芯片、第一探测模块、第二探测模块、差分电路以及主控模块，

4、所述激光器ld用于产生窄脉宽的水平偏振激光脉冲信号；

5、所述第一集成光芯片包含一个反射式不等臂干涉仪，用于将入射至其一个端口的激光脉冲信号转换为分别从其两个端口分别输出的两个子脉冲相位差为0的第一光信号和两个子脉冲相位差为π的第二光信号；

6、第一环形器cir1用于将激光器ld发射的激光脉冲信号传输至第一集成光芯片的一个端口，以及将从第一集成光芯片传输来的第一光信号传输至光开关os的一个输入端口；

7、光开关os用于随机使第一光信号或入射到其另一个输入端口的第二光信号从其输出端口出射，产生编码光信号；

8、所述光放大模块用于将编码光信号放大至预定功率；

9、所述发射光路用于将经放大后的编码光信号扩束并向目标照射；

10、所述接收光路用于接收从目标反射的回波信号；

11、所述第二集成光芯片与第一集成光芯片结构相同，用于使回波信号中的两个子脉冲信号进行干涉，产生第一干涉结果与第二干涉结果；

12、所述第二集成光芯片还用于使回波信号中的背景噪声信号等幅度地从其的两个端口出射；

13、第二环形器cir2用于将回波信号传输至第二集成光芯片的一个输入端口，以及将第一干涉结果传输至第一探测模块；

14、所述第一探测模块和第二探测模块分别用于对应地探测第一干涉结果与第二干涉结果的幅度；

15、所述差分电路用于将第一探测模块和第二探测模块的输出电信号进行差分，以消除背景噪声信号；

16、所述主控模块用于控制光开关进行编码得到编码序列，并采集差分电路输出的信号产生解码序列，以及将所述编码序列和解码序列进行相关运算，获取目标的距离信息。

17、优选地，所述第一集成光芯片包含第一偏振分束器pbs1、第二偏振分束器pbs2、第三偏振分束器pbs3、第一半波片hwp1和第二半波片hwp2，

18、所述第一偏振分束器pbs1的两个输入端口分别作为第一集成光芯片的两个端口；

19、所述第一偏振分束器pbs1的两个输出端口分别通过等长的第一光波导、第二光波导连接第二偏振分束器pbs2的输入端口、第三偏振分束器pbs3的输入端口；

20、所述第一半波片hwp1和第二半波片hwp2被设置为分别对应垂直贯穿第一光波导和第二光波导；

21、所述第一半波片hwp1和第二半波片hwp2的主轴方向与光波导te模偏振方向的夹角均为22.5°；

22、所述第二偏振分束器pbs2的两个输出端口和第三偏振分束器pbs3的两个输出端口分别通过长度不等的光波导相连，构成不等臂干涉仪。

23、优选地，所述第一集成光芯片包含第一偏振分束器pbs1、第四偏振分束器pbs4和第三半波片hwp3，

24、所述第一偏振分束器pbs1的两个输入端口分别作为第一集成光芯片的两个端口；

25、所述第一偏振分束器pbs1的两个输出端口分别通过等长的第一光波导、第二光波导连接第四偏振分束器pbs4的一个输入端口和一个输出端口；

26、所述第三半波片hwp3同时垂直贯穿第一光波导和第二光波导；

27、所述第三半波片hwp3的主轴方向与光波导te模偏振方向的夹角为22.5°；

28、所述第四偏振分束器pbs4的另一个输入端口和另一个输出端口直接通过光波导相连，构成不等臂干涉仪的长臂。

29、优选地，还包括一热调移相器ps，所述热调移相器ps设置在第一集成光芯片的不等臂干涉仪的长臂上，用于补偿第一集成光芯片和第二集成光芯片的不等臂干涉仪之间的相位漂移。

30、优选地，所述激光脉冲信号的时域宽度不大于100ps，所述子脉冲信号之间的时间间隔不大于500ps。

31、优选地，所述光放大模块为掺铒光纤放大器，增益不低于30db。

32、优选地，所述发射光路和接收光路分别为发射望远镜和接收望远镜。

33、优选地，所述第一探测模块和第二探测模块均为单光子级平衡探测器，分别为第一平衡探测器hd1和第二平衡探测器hd2。

34、本发明还公开了一种激光雷达测距方法，包括以下步骤：

35、s1：主控模块触发激光器ld发出激光脉冲信号，经过第一集成光芯片后，通过制备随机序列生成驱动信号控制光开关随机切换光路进行编码，产生相位差随机为0或π的两个子脉冲信号，形成编码序列；

36、s2：经过编码的激光脉冲信号经光放大模块放大至预定功率，并通过发射光路扩束后向目标照射，使用接收光路接收从目标反射的回波信号；

37、s3：回波信号进入第二集成光芯片进行干涉，产生的两路干涉信号分别进入第一探测模块和第二探测模块进行探测，并使用差分电路将两个探测结果进行差分得到探测序列，根据探测结果的正负将探测序列转化为解码序列，其中大于0的结果为0，小于0 的结果为1，等于0的结果随机赋值为0或1；

38、s4：将所述编码序列与解码序列进行移位互相关运算，根据互相关运算结果达到峰值对应的位置得到目标的距离信息。

39、与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

40、本发明提出一种偏振不敏感的激光雷达及测距方法，使用偏振不敏感的集成化光芯片来对激光脉冲信号进行编解码，通过高灵敏度的平衡探测器探测解码后的回波信号并进行差分，可以接收任意偏振的回波信号，并大幅度降低回波信号中背景噪声，提高系统的信噪比。另外，用于收发的集成光芯片完全相同，易于大批量制作。