光纖傳輸在激光雷達(dá)探測距離模擬中的應(yīng)用*

龔桃榮，朱精果，黃琴華，任建峰

（中國科學(xué)院光電研究院，北京 100094）

0 引言

激光雷達(dá)（light detection and ranging，LiDAR）是在光電輻射探測和電磁雷達(dá)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，能對目標(biāo)表面進(jìn)行高精度方位和距離測量，實現(xiàn)對目標(biāo)表面的三維立體成像，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于大氣探測、城市測繪、空間探索和軍事偵察等多個領(lǐng)域［1］。LiDAR系統(tǒng)設(shè)計完成后，其檢測檢校過程必不可少。國內(nèi)外對LiDAR系統(tǒng)的檢測檢校主要方式分為兩類:1）建立室外檢校場;2）在實驗室搭建檢測平臺。在室外建立檢校場既要占用較大的場地又易受天氣等的影響，所以一般在實驗室搭建檢測平臺進(jìn)行檢校，如麻省理工林肯實驗室搭建的“active range of the optical system test facility（AROSTF）”系統(tǒng)［2］和美國空間防御司令部研制的“advanced measurements optical range（AMOR）”系統(tǒng)［3］。但是在實驗室進(jìn)行LiDAR的檢測檢校工作受實驗室空間的限制，不能完成遠(yuǎn)距離的檢測。為了能在實驗室對LiDAR設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測，AROSTF和AMOR系統(tǒng)中采用多塊反射鏡反射的方式來增大傳輸距離，這種方法需要對光路進(jìn)行精密調(diào)節(jié)，實現(xiàn)比較復(fù)雜。本文提出采用光纖傳輸進(jìn)行距離模擬的方案，在LiDAR系統(tǒng)中利用光纖傳輸實現(xiàn)對激光在大氣中傳輸距離的模擬，操作更簡單，便捷。

1 方案分析與設(shè)計

1．1 方案理論分析

根據(jù)激光雷達(dá)原理，激光從發(fā)射系統(tǒng)出射后經(jīng)大氣傳輸射向被測目標(biāo)，經(jīng)反射或散射再經(jīng)大氣傳輸后返回激光接收系統(tǒng)，設(shè)回波接收光功率P可以表示為［4］r

其中，Ps為激光發(fā)射功率，Ks和Kr分別為發(fā)射和接收系統(tǒng)透過率，As和Ar分別為目標(biāo)有效反射面積和接收口徑面積，R為目標(biāo)距離，α為大氣衰減系數(shù)，ρ為目標(biāo)反射系數(shù)，θt為激光發(fā)散角，θ表示目標(biāo)偏離發(fā)射激光束中心的角度。

在小目標(biāo)探測情況下有

對于大目標(biāo)而言，目標(biāo)反射面積按光斑大小計算，接收口徑按圓形計算，若光學(xué)接收口徑的直徑為Dr，則公式（1）變?yōu)橄率?/p>

激光在光纖中傳輸?shù)闹饕绊懸蛩赜泄饫w的衰減、色散，使用光纖模擬光在大氣中的傳輸，主要是引入時延。而光在光纖中傳輸除了引入時延外，也會產(chǎn)生衰減。1．55 μm波段的激光為對人眼安全的波長，且是通信常用波段，下面以1．55 μm激光在單模光纖（SMF）中傳輸，模擬激光在大氣中傳輸10 km為例進(jìn)行分析。

光纖中色散的影響主要是導(dǎo)致脈沖展寬，1．55μm波長在SMF中的色散系數(shù)為17ps/（km·nm），激光雷達(dá)中一般要求激光器的譜寬小于0．1 nm，則1．55 μm的激光傳輸10 km的色散為11．6 ps。相比于采用的激光器脈沖寬度為幾個納秒而言，色散的影響可以忽略。

令激光在大氣中的傳輸距離為R，在光纖中傳輸?shù)臅r間相同時等效傳輸?shù)墓饫w長度為RF，二者之間的關(guān)系如下

其中，n為光纖的有效折射率，對SMF在1．55 μm波長時取值1．467，則10 km大氣傳輸距離等效的光纖長度約為6．816 km。

1．55 μm 激光在 SMF 中的損耗系數(shù)為 0．22 dB/km，則激光在光纖中傳輸6．816 km的損耗為1．5 dB，如果不計入光纖連接器的損耗，那么激光從光纖輸出時的功率為10－0．15Ps。在其他條件不變時，從光纖中輸出的激光射向距離為10 m的目標(biāo)，則模擬距離R與實際距離R0的比例為1∶1000，那么，對于小目標(biāo)而言，通過公式（3）計算回波信號功率為

而在激光實際距離傳播中，對于小目標(biāo)的回波接收功率為式（2），比較式（5）和式（2）可以看出，在只考慮光纖傳輸損耗的情況下，采用光纖模擬激光在大氣中傳輸10 km后再射向自由空間10 m外的目標(biāo)回波信號功率P'r比實際激光探測距離的回波信號功率Pr要高1011數(shù)量級，所以，光在光纖中的衰減不會影響其模擬光在大氣中遠(yuǎn)距離傳播的有效性。

即使對于大目標(biāo)探測的情況，代入公式（3），通過光纖傳輸模擬后獲得的回波信號功率P'r約為實際大氣傳輸回波接收功率Pr的105倍，光纖傳輸模擬仍然適用。如果要增大衰減，可以在光纖輸出端添加可調(diào)光衰減器來改變輸出光功率。

1．2 方案設(shè)計

光通信長距離傳輸試驗有2種方式:1）直路傳輸;2）環(huán)路傳輸［5］。采用光纖模擬激光在大氣中的傳輸實驗也可以借鑒這2種方式，下面進(jìn)行分別描述:

1）光纖直路傳輸模擬

本實驗中采用光纖直路傳輸模擬方案的實驗示意圖如圖1所示，激光需要傳輸?shù)木嚯x由光纖級聯(lián)所需長度的光纖而成，光在傳輸鏈路中的損耗為光纖的傳輸損耗與鏈路上的連接器插入損耗之和。如果傳輸鏈路較短，將光纖直接級聯(lián);如果傳輸鏈路很長，光信號衰減太大，可以在鏈路中加光放大器，對光信號進(jìn)行放大后再在光纖中傳輸。激光器輸出的激光經(jīng)99∶1的光纖耦合器分光，1%的激光用于記錄進(jìn)入光纖的起始時刻;99%的激光進(jìn)入SMF進(jìn)行傳輸，采用示波器觀察二者的時間差即為光纖傳輸?shù)臅r延。

圖1 直路傳輸模擬示意圖Fig 1 Schematic diagram of forthright transmission simulation

經(jīng)SMF傳輸后的激光可以依據(jù)LiDAR發(fā)射系統(tǒng)所需的光功率采用可調(diào)光衰減器對光功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。從光纖輸出的激光其光斑直徑約為幾微米至十幾微米量級，光束發(fā)散角約為0．2～0．3 rad，用于 LiDAR系統(tǒng)發(fā)散角太大，所以采用擴(kuò)束鏡進(jìn)行擴(kuò)束，使發(fā)散角減小。從圖1可以看出:直路傳輸方式結(jié)構(gòu)簡單，但對長距離的傳輸，直路傳輸方式就需要較長的光纖，使傳輸系統(tǒng)變得龐大。

2）光纖環(huán)路傳輸模擬

實驗結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。激光器輸出的激光經(jīng)99∶1的光纖耦合器分光，1%部分的激光用于記錄進(jìn)入光纖的起始時刻，和直路傳輸不同的是，99%部分出來的光進(jìn)入光纖環(huán)路傳輸。激光進(jìn)出環(huán)路由環(huán)路開關(guān)來控制:當(dāng)激光進(jìn)入時，環(huán)路開關(guān)狀態(tài)為1，4通;當(dāng)激光進(jìn)入環(huán)路在環(huán)路中傳輸時，環(huán)路開關(guān)狀態(tài)切換為2，4通;當(dāng)激光要從環(huán)路中輸出時，環(huán)路開關(guān)狀態(tài)再切換為2，3通。環(huán)路中輸出的激光也采用擴(kuò)束鏡進(jìn)行整形，與直路傳輸中使用擴(kuò)束鏡的原因相同。

圖2 環(huán)路傳輸模擬示意圖Fig 2 Schematic digram of circulating loop transmission

在LiDAP中，若使用的脈沖源為單脈沖，則測試距離與脈沖源的重復(fù)頻率之間的關(guān)系為

式中L為傳輸?shù)木嚯x，ε為大氣中的介質(zhì)常數(shù)，取為1，則脈沖源的間隔周期Tn

須在光纖中等效的大氣傳輸距離LF=2L，光傳輸距離為2L所需時間t

典型的脈沖源和測試距離與傳輸距離及時間的關(guān)系如表1所示。從表1可以看出:脈沖在光纖環(huán)路中傳輸?shù)臅r間不大于脈沖的周期，取最復(fù)雜的情況Tn=t，即當(dāng)前一個脈沖要離開光纖環(huán)路時，后一個脈沖要進(jìn)入光纖環(huán)路。如圖2所示，當(dāng)脈沖要離開光纖環(huán)路的最后一圈將光開關(guān)倒換為開啟狀態(tài)，讓前一個脈沖離開光纖環(huán)路，后一個光脈沖進(jìn)入光纖環(huán)路，不會引起脈沖在環(huán)路中重疊的問題。

表1 L，LF，f，Tn 和 t的關(guān)系Tab 1 Relation of L，LF，f，Tnand t

以上分析表明:環(huán)路傳輸實驗的關(guān)鍵在于環(huán)路開關(guān)和環(huán)長（即為SMF的長度）。根據(jù)對高速光開關(guān)的調(diào)查，光開關(guān)的開關(guān)響應(yīng)時間可以達(dá)到ns量級，并且光纖的長度可以精確到m的量級，所以，選取了最大開關(guān)響應(yīng)時間為300 ns的光開關(guān)，其插入損耗最大為1 dB。選取等效大氣傳輸距離為2 km的光纖長度作為環(huán)長，但是，廠家提供的光纖長度只能精確到 m的量級，所以，實際的光纖環(huán)長為1364．2 m。

2 實驗測試

實驗計劃模擬100 m～20 km大氣傳輸距離，根據(jù)上節(jié)的分析，設(shè)計100 m～2 km的大氣傳輸距離采用直路傳輸;對2～20 km的大氣傳輸距離采用環(huán)路傳輸。這樣采用大氣傳輸距離分別為100，200，200，500m，1km和2km共6種不同長度的光纖可以完成100 m～2 km且間隔為100 m，2～20 km且間隔為2 km各種不同傳輸長度的模擬。

幾組典型測試結(jié)果如表2所示。將測試值與實際值進(jìn)行比較，測試值偏大，主要原因如下:

1）光纖跳線和連接器引入了時延，但是理論計算沒有考慮，將光纖跳線的延時作為系統(tǒng)誤差進(jìn)行消除，采用的跳線長度為1 m或2 m，根據(jù)實際使用的跳線長度與根數(shù)進(jìn)行計算。直路傳輸中一共需使用3根跳線，100 m時采用的跳線約為3 m，200 m和1 km時采用的跳線約為4 m，結(jié)果如表2所示。

表2 SMF時延測試結(jié)果Tab 2 Testing results of time delay with SMF

2）光開關(guān)的尾纖長度約為1 m，也應(yīng)作為系統(tǒng)誤差進(jìn)行消除。當(dāng)進(jìn)行環(huán)路傳輸時，設(shè)環(huán)形圈數(shù)為n，則跳線與光開關(guān)引入的光纖長度可表示為（3n+2）m，如表2中所示，10 km需環(huán)形5圈，其系統(tǒng)誤差比2 km的大。

3）示波器只能精確ns量級，使測試精度受限。

考慮（1）和（2）兩點因素消除系統(tǒng)誤差后的實驗值與實際計算值相比，20 km模擬距離也只相差5．5 ns。這表明了采用光纖環(huán)路傳輸和直路傳輸這2種方式模擬激光在大氣中傳輸時延的方案是可行的。

實驗進(jìn)一步采用經(jīng)過光纖等效傳輸后的激光進(jìn)入Li-DAR系統(tǒng)，模擬目標(biāo)的距離在自由空間中的距離可以從3～10 m進(jìn)行變化，將一個模擬錐形目標(biāo)放在距離3．5 m處，讓激光經(jīng)直路傳輸69．1 m SMF（即等效大氣傳輸距離101．4 m）后對其進(jìn)行探測，如圖3（b）所示為對其所成的三維激光點云數(shù)據(jù)圖，與圖（a）的實物圖進(jìn)行比照，可以看出:激光點云數(shù)據(jù)圖比較真實地體現(xiàn)了實物的形狀，且其弧形邊沿也清晰可見。這驗證了在實驗室中采用光纖傳輸模擬LiDAR系統(tǒng)中大氣傳輸?shù)目尚行浴?/p>

3 結(jié)論

圖3 錐體目標(biāo)的實物圖與三維激光點云圖Fig 3 Practical object and 3D laser point cloud of cone object

本文提出了采用光纖傳輸時延等效模擬激光在大氣中傳輸時延的方法，將其應(yīng)用于LiDAR系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離模擬檢測中。實驗測試了波長為1．55μm的激光在SMF中等效大氣傳輸距離100m～20km的時延值，且讓激光經(jīng)過100m等效大氣傳輸后再進(jìn)入LiDAR模塊對自由空間3．5 m外的目標(biāo)物進(jìn)行探測，獲得了高質(zhì)量的三維激光點云圖。該方案為進(jìn)一步在實驗室完成LiDAR系統(tǒng)的精確檢測檢校工作奠定了基礎(chǔ)。

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