光纤传输在激光雷达探测距离模拟中的应用*

龚桃荣，朱精果，黄琴华，任建峰

（中国科学院光电研究院，北京 100094）

0 引言

激光雷达（light detection and ranging，LiDAR）是在光电辐射探测和电磁雷达的基础上发展起来的，能对目标表面进行高精度方位和距离测量，实现对目标表面的三维立体成像，已经广泛地应用于大气探测、城市测绘、空间探索和军事侦察等多个领域［1］。LiDAR系统设计完成后，其检测检校过程必不可少。国内外对LiDAR系统的检测检校主要方式分为两类:1）建立室外检校场;2）在实验室搭建检测平台。在室外建立检校场既要占用较大的场地又易受天气等的影响，所以一般在实验室搭建检测平台进行检校，如麻省理工林肯实验室搭建的“active range of the optical system test facility（AROSTF）”系统［2］和美国空间防御司令部研制的“advanced measurements optical range（AMOR）”系统［3］。但是在实验室进行LiDAR的检测检校工作受实验室空间的限制，不能完成远距离的检测。为了能在实验室对LiDAR设备进行远距离检测，AROSTF和AMOR系统中采用多块反射镜反射的方式来增大传输距离，这种方法需要对光路进行精密调节，实现比较复杂。本文提出采用光纤传输进行距离模拟的方案，在LiDAR系统中利用光纤传输实现对激光在大气中传输距离的模拟，操作更简单，便捷。

1 方案分析与设计

1．1 方案理论分析

根据激光雷达原理，激光从发射系统出射后经大气传输射向被测目标，经反射或散射再经大气传输后返回激光接收系统，设回波接收光功率P可以表示为［4］r

其中，Ps为激光发射功率，Ks和Kr分别为发射和接收系统透过率，As和Ar分别为目标有效反射面积和接收口径面积，R为目标距离，α为大气衰减系数，ρ为目标反射系数，θt为激光发散角，θ表示目标偏离发射激光束中心的角度。

在小目标探测情况下有

对于大目标而言，目标反射面积按光斑大小计算，接收口径按圆形计算，若光学接收口径的直径为Dr，则公式（1）变为下式

激光在光纤中传输的主要影响因素有光纤的衰减、色散，使用光纤模拟光在大气中的传输，主要是引入时延。而光在光纤中传输除了引入时延外，也会产生衰减。1．55 μm波段的激光为对人眼安全的波长，且是通信常用波段，下面以1．55 μm激光在单模光纤（SMF）中传输，模拟激光在大气中传输10 km为例进行分析。

光纤中色散的影响主要是导致脉冲展宽，1．55μm波长在SMF中的色散系数为17ps/（km·nm），激光雷达中一般要求激光器的谱宽小于0．1 nm，则1．55 μm的激光传输10 km的色散为11．6 ps。相比于采用的激光器脉冲宽度为几个纳秒而言，色散的影响可以忽略。

令激光在大气中的传输距离为R，在光纤中传输的时间相同时等效传输的光纤长度为RF，二者之间的关系如下

其中，n为光纤的有效折射率，对SMF在1．55 μm波长时取值1．467，则10 km大气传输距离等效的光纤长度约为6．816 km。

1．55 μm 激光在 SMF 中的损耗系数为 0．22 dB/km，则激光在光纤中传输6．816 km的损耗为1．5 dB，如果不计入光纤连接器的损耗，那么激光从光纤输出时的功率为10－0．15Ps。在其他条件不变时，从光纤中输出的激光射向距离为10 m的目标，则模拟距离R与实际距离R0的比例为1∶1000，那么，对于小目标而言，通过公式（3）计算回波信号功率为

而在激光实际距离传播中，对于小目标的回波接收功率为式（2），比较式（5）和式（2）可以看出，在只考虑光纤传输损耗的情况下，采用光纤模拟激光在大气中传输10 km后再射向自由空间10 m外的目标回波信号功率P'r比实际激光探测距离的回波信号功率Pr要高1011数量级，所以，光在光纤中的衰减不会影响其模拟光在大气中远距离传播的有效性。

即使对于大目标探测的情况，代入公式（3），通过光纤传输模拟后获得的回波信号功率P'r约为实际大气传输回波接收功率Pr的105倍，光纤传输模拟仍然适用。如果要增大衰减，可以在光纤输出端添加可调光衰减器来改变输出光功率。

1．2 方案设计

光通信长距离传输试验有2种方式:1）直路传输;2）环路传输［5］。采用光纤模拟激光在大气中的传输实验也可以借鉴这2种方式，下面进行分别描述:

1）光纤直路传输模拟

本实验中采用光纤直路传输模拟方案的实验示意图如图1所示，激光需要传输的距离由光纤级联所需长度的光纤而成，光在传输链路中的损耗为光纤的传输损耗与链路上的连接器插入损耗之和。如果传输链路较短，将光纤直接级联;如果传输链路很长，光信号衰减太大，可以在链路中加光放大器，对光信号进行放大后再在光纤中传输。激光器输出的激光经99∶1的光纤耦合器分光，1%的激光用于记录进入光纤的起始时刻;99%的激光进入SMF进行传输，采用示波器观察二者的时间差即为光纤传输的时延。

图1 直路传输模拟示意图Fig 1 Schematic diagram of forthright transmission simulation

经SMF传输后的激光可以依据LiDAR发射系统所需的光功率采用可调光衰减器对光功率进行调节。从光纤输出的激光其光斑直径约为几微米至十几微米量级，光束发散角约为0．2～0．3 rad，用于 LiDAR系统发散角太大，所以采用扩束镜进行扩束，使发散角减小。从图1可以看出:直路传输方式结构简单，但对长距离的传输，直路传输方式就需要较长的光纤，使传输系统变得庞大。

2）光纤环路传输模拟

实验结构示意图如图2所示。激光器输出的激光经99∶1的光纤耦合器分光，1%部分的激光用于记录进入光纤的起始时刻，和直路传输不同的是，99%部分出来的光进入光纤环路传输。激光进出环路由环路开关来控制:当激光进入时，环路开关状态为1，4通;当激光进入环路在环路中传输时，环路开关状态切换为2，4通;当激光要从环路中输出时，环路开关状态再切换为2，3通。环路中输出的激光也采用扩束镜进行整形，与直路传输中使用扩束镜的原因相同。

图2 环路传输模拟示意图Fig 2 Schematic digram of circulating loop transmission

在LiDAP中，若使用的脉冲源为单脉冲，则测试距离与脉冲源的重复频率之间的关系为

式中L为传输的距离，ε为大气中的介质常数，取为1，则脉冲源的间隔周期Tn

须在光纤中等效的大气传输距离LF=2L，光传输距离为2L所需时间t

典型的脉冲源和测试距离与传输距离及时间的关系如表1所示。从表1可以看出:脉冲在光纤环路中传输的时间不大于脉冲的周期，取最复杂的情况Tn=t，即当前一个脉冲要离开光纤环路时，后一个脉冲要进入光纤环路。如图2所示，当脉冲要离开光纤环路的最后一圈将光开关倒换为开启状态，让前一个脉冲离开光纤环路，后一个光脉冲进入光纤环路，不会引起脉冲在环路中重叠的问题。

表1 L，LF，f，Tn 和 t的关系Tab 1 Relation of L，LF，f，Tnand t

以上分析表明:环路传输实验的关键在于环路开关和环长（即为SMF的长度）。根据对高速光开关的调查，光开关的开关响应时间可以达到ns量级，并且光纤的长度可以精确到m的量级，所以，选取了最大开关响应时间为300 ns的光开关，其插入损耗最大为1 dB。选取等效大气传输距离为2 km的光纤长度作为环长，但是，厂家提供的光纤长度只能精确到 m的量级，所以，实际的光纤环长为1364．2 m。

2 实验测试

实验计划模拟100 m～20 km大气传输距离，根据上节的分析，设计100 m～2 km的大气传输距离采用直路传输;对2～20 km的大气传输距离采用环路传输。这样采用大气传输距离分别为100，200，200，500m，1km和2km共6种不同长度的光纤可以完成100 m～2 km且间隔为100 m，2～20 km且间隔为2 km各种不同传输长度的模拟。

几组典型测试结果如表2所示。将测试值与实际值进行比较，测试值偏大，主要原因如下:

1）光纤跳线和连接器引入了时延，但是理论计算没有考虑，将光纤跳线的延时作为系统误差进行消除，采用的跳线长度为1 m或2 m，根据实际使用的跳线长度与根数进行计算。直路传输中一共需使用3根跳线，100 m时采用的跳线约为3 m，200 m和1 km时采用的跳线约为4 m，结果如表2所示。

表2 SMF时延测试结果Tab 2 Testing results of time delay with SMF

2）光开关的尾纤长度约为1 m，也应作为系统误差进行消除。当进行环路传输时，设环形圈数为n，则跳线与光开关引入的光纤长度可表示为（3n+2）m，如表2中所示，10 km需环形5圈，其系统误差比2 km的大。

3）示波器只能精确ns量级，使测试精度受限。

考虑（1）和（2）两点因素消除系统误差后的实验值与实际计算值相比，20 km模拟距离也只相差5．5 ns。这表明了采用光纤环路传输和直路传输这2种方式模拟激光在大气中传输时延的方案是可行的。

实验进一步采用经过光纤等效传输后的激光进入Li-DAR系统，模拟目标的距离在自由空间中的距离可以从3～10 m进行变化，将一个模拟锥形目标放在距离3．5 m处，让激光经直路传输69．1 m SMF（即等效大气传输距离101．4 m）后对其进行探测，如图3（b）所示为对其所成的三维激光点云数据图，与图（a）的实物图进行比照，可以看出:激光点云数据图比较真实地体现了实物的形状，且其弧形边沿也清晰可见。这验证了在实验室中采用光纤传输模拟LiDAR系统中大气传输的可行性。

3 结论

图3 锥体目标的实物图与三维激光点云图Fig 3 Practical object and 3D laser point cloud of cone object

本文提出了采用光纤传输时延等效模拟激光在大气中传输时延的方法，将其应用于LiDAR系统的远距离模拟检测中。实验测试了波长为1．55μm的激光在SMF中等效大气传输距离100m～20km的时延值，且让激光经过100m等效大气传输后再进入LiDAR模块对自由空间3．5 m外的目标物进行探测，获得了高质量的三维激光点云图。该方案为进一步在实验室完成LiDAR系统的精确检测检校工作奠定了基础。

［1］ 韩邵坤．激光成像雷达技术及发展趋势［J］．光学技术，2006，32（增刊）:494－496．

［2］ Jing L A，Schue D R，Harrison D C，et al．Active range of the optical systems test facility at MIT Lincoln Laboratory［C］∥The International Society of Optical Engineer，Orlando，2006:1 －7．

［3］ Keffer C E，Papetti T J，Johnson E，et al．Advanced measurements optical range ladar test facility［C］∥The International Society of Optical Engineer，Orlando，2007:1 －9．

［4］ Bergano N S，Aspell J，Davidson C R，et al．A 9000km 5Gbit/s and 21000km 2．4Gbit/s feasibility demonstration of transoceanic EDFA system using a circulating loop［C］∥Optical Fiber Communication Conference，Sandiego，1991:13．

［5］ 戴永江．激光雷达技术［M］．北京:电子工业出版社2010:179．