一種用于相干激光雷達(dá)的脈沖激光器制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種用于相干激光雷達(dá)的脈沖激光器。通過設(shè)計(jì)一種光緩釋器，用來記錄保存之前發(fā)射的光源信息，即使光源發(fā)生抖動等其他不穩(wěn)定現(xiàn)象，在拍頻時(shí)不是取用當(dāng)前本振光進(jìn)行拍頻，而是采用同一時(shí)刻光源發(fā)出的光信號進(jìn)行拍頻，因此可以大幅降低激光雷達(dá)對光源穩(wěn)定性的要求，無論光源如何抖動，對探測結(jié)果真實(shí)性不產(chǎn)生任何不利影響。使用低成本的，穩(wěn)定性不是很好的光源也能夠?qū)崿F(xiàn)相干探測，從而大幅降低整個(gè)相干激光雷達(dá)光源的成本，提高相干激光雷達(dá)光源的穩(wěn)定性。光雷達(dá)光源的穩(wěn)定性。光雷達(dá)光源的穩(wěn)定性。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種用于相干激光雷達(dá)的脈沖激光器


[0001]本專利技術(shù)涉及激光器，尤其涉及一種用于相干激光雷達(dá)的脈沖激光器。

技術(shù)介紹

[0002]激光雷達(dá)(Laser detection and ranging，LiDAR)是一種使用激光進(jìn)行成像、偵查和測距的主動遙感技術(shù)，具有分辨力高、精度高、設(shè)備輕巧、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢。繼1960年激光專利技術(shù)之后，雷達(dá)(radio detection and ranging，Radar)的工作波段和技術(shù)很快就被研究者們從微波波段遷移到了光波波段。相比于傳統(tǒng)的微波雷達(dá)技術(shù)，激光雷達(dá)工作在波長更短的光頻波段，這使得激光雷達(dá)出射波束可以實(shí)現(xiàn)更小的發(fā)散角與更好的方向性，而更短的工作波長也使雷達(dá)探測時(shí)可實(shí)現(xiàn)的距離分辨力與角分辨力大大提高。激光雷達(dá)探測時(shí)可獲得目標(biāo)距離、速度、反射率等豐富信息，獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常被用于生成高分辨力三維地圖或者三維模型，被廣泛應(yīng)用于測繪學(xué)、地形學(xué)、林業(yè)學(xué)、大氣物理、激光制導(dǎo)、航空航天、深空探測和無人駕駛等領(lǐng)域。
[0003]目前激光雷達(dá)的檢測機(jī)制主要分為兩種：非相干檢測與相干檢測。非相干檢測也被稱為直接檢測，通過直接測量反射光信號強(qiáng)度的變化實(shí)現(xiàn)探測，由于探測方式較為簡單直接，廣泛應(yīng)用于飛行時(shí)間(time of flight,TOF)激光雷達(dá)或調(diào)幅連續(xù)波激光雷達(dá)。相干檢測使用外差檢測的方法，通過測量回波信號與本振信號的頻率或相位差實(shí)現(xiàn)探測。目前主流的相干檢測雷達(dá)包括頻率調(diào)制連續(xù)波(frequency modulation continuous wave，F(xiàn)MCW)激光雷達(dá)與多普勒測速激光雷達(dá)。外差檢測方式相比于直接檢測方式具有更高的靈敏度，這令相干檢測型激光雷達(dá)可以工作在更低的發(fā)射功率下。
[0004]根據(jù)調(diào)諧器件與激光器的關(guān)系，目前實(shí)現(xiàn)激光載波頻率調(diào)制的方法可以分為內(nèi)調(diào)制技術(shù)和外調(diào)制技術(shù)兩種。內(nèi)調(diào)制技術(shù)是指調(diào)制過程與激光振蕩建立同時(shí)進(jìn)行的調(diào)制技術(shù)，通過調(diào)制改變激光腔的諧振參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)激光器輸出頻率的變化，主要包括調(diào)制諧振腔的光學(xué)長度或改變腔內(nèi)的增益損耗譜位置等方式；外調(diào)制技術(shù)是指在激光振蕩建立之后，在激光出射的光路上使用調(diào)制器對光場參數(shù)進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。
[0005]本專利技術(shù)的專利技術(shù)人研究后發(fā)現(xiàn)：調(diào)諧性好的光源大多不夠穩(wěn)定，穩(wěn)定的光源大多不能寬可調(diào)諧。從調(diào)制方式的角度而言，內(nèi)調(diào)制方式由于直接改變諧振腔參數(shù)，獲得大調(diào)諧范圍相對容易，但是由于激光建立時(shí)間的存在會造成輸出調(diào)頻光的瞬時(shí)線寬比較寬，導(dǎo)致光源相干長度的減少；或者為了建立起穩(wěn)定光場就必須限制調(diào)諧速率。外調(diào)制方式通過聲光效應(yīng)等調(diào)諧機(jī)制能夠在保持種子光的優(yōu)異特性的同時(shí)快速改變光場的瞬時(shí)頻率，但是由于聲光效應(yīng)本身的工作帶寬有限，限制了光源調(diào)諧范圍的增加，即限制了該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的最高分辨力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

[0006]有鑒于此，本專利技術(shù)提供了一種用于相干激光雷達(dá)的脈沖激光器，通過設(shè)計(jì)一種光緩釋器，用來記錄保存之前發(fā)射的光源信息，即使光源發(fā)生抖動等其他不穩(wěn)定現(xiàn)象，在拍頻
時(shí)不是取用當(dāng)前本振光進(jìn)行拍頻，而是同一時(shí)刻光源發(fā)出的光信號進(jìn)行拍頻，因此可以使用不穩(wěn)定光源來實(shí)現(xiàn)相干探測。
[0007]一種用于相干激光雷達(dá)的脈沖激光器，包括：調(diào)制脈沖光源、主耦合器，放大器，光緩釋器和環(huán)形器；其中，
[0008]調(diào)制脈沖光源用來產(chǎn)生脈沖光信號；
[0009]所述主耦合器用于將調(diào)制脈沖光源輸出的信號分為兩路，一路作為探測光輸出到放大器，一路脈沖光信號輸出到緩釋器；
[0010]所述放大器用于將主耦合器輸出的探測光進(jìn)行放大后輸出到所述環(huán)形器；
[0011]所述環(huán)形器用于輸出探測光信號，并將接收到的返回光信號從另一端輸出；
[0012]所述光緩釋器用于接收主耦合器輸出的脈沖光，對每個(gè)接收到的脈沖進(jìn)行記憶，在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，將脈沖分成N份，以預(yù)定的時(shí)間間隔在不同的時(shí)刻離散射出形成準(zhǔn)本振光；其中，N為自然數(shù)，N≥10；當(dāng)一個(gè)脈沖周期結(jié)束后，光緩釋器清空所有能量，等待接收下個(gè)周期的光脈沖注入；
[0013]所述光緩釋器的輸出端輸出的信號作為本振光，用于與環(huán)形器輸出的回波信號進(jìn)行拍頻。
[0014]進(jìn)一步的，所述光緩釋器為線性光緩釋器；線性光緩釋器包括N段光纖、N個(gè)耦合器和合束器；
[0015]合束器包括N個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端；
[0016]每個(gè)耦合器用于將脈沖光信號分為兩路輸出，每個(gè)耦合器包括一個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端；其中，分光較小的部分與合束器的一個(gè)輸入端通過一段光纖連接；分光較大的部分與下個(gè)耦合器的輸入端連接；合束器的輸出端為光緩釋器的輸出端。
[0017]進(jìn)一步的，每段光纖的長度為L1，L1＝(2S
×
n
被測
)/(N
×
n
光纖
)；其中，S為相干激光雷達(dá)的探測距離，n
被測
為被測物體的折射率；n
光纖
為光纖的折射率；N為探測點(diǎn)數(shù)，代表將整個(gè)探測距離分為N段。
[0018]進(jìn)一步的，所述光緩釋器為環(huán)形光緩釋器；環(huán)形光緩釋器包括耦合器和環(huán)狀結(jié)構(gòu)，環(huán)狀結(jié)構(gòu)包括兩段光纖和光開關(guān)；
[0019]耦合器包括兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，其中一個(gè)輸入端用于接收脈沖光信號，另一輸入端通過一段光纖與光開關(guān)的一端連接；
[0020]耦合器兩個(gè)輸出端中，分光較大的部分與光開關(guān)的另一端通過另一段光纖連接；
[0021]耦合器的分光較小的部分作為光緩釋器的輸出端；
[0022]當(dāng)光緩釋器接收到脈沖光信號時(shí)，光開關(guān)為常閉狀態(tài)；直到從S位置返回的回波信號被采集后，打開光開關(guān)，將環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)的脈沖釋放后關(guān)閉，并等待下一個(gè)光脈沖進(jìn)入；S為相干激光雷達(dá)的探測距離。
[0023]進(jìn)一步的，兩段光纖的長度之和為L2，L2＝(2S
×
n
被測
)/(N
×
n
光纖
)；其中，S為相干激光雷達(dá)的探測距離，n
被測
為被測物體的折射率；n
光纖
為光纖的折射率；N為探測點(diǎn)數(shù)，代表將整個(gè)探測距離分為N段。
[0024]進(jìn)一步的，光緩釋器為線性反射式光緩釋器；線性反射式光緩釋器包括第二環(huán)形器、光纖光柵、光開關(guān)、傳導(dǎo)光纖及反射鏡；
[0025]第二環(huán)形器包括輸入端、收發(fā)端和輸出端，第二環(huán)形器的輸入端用于接收脈沖光
信號，收發(fā)端與光纖光柵連接，光纖光柵與光開關(guān)、傳導(dǎo)光纖依次連接；第二環(huán)形器的輸出端作為光緩釋器的輸出端；
[0026]接收到的脈沖光信號經(jīng)第二環(huán)形器的收發(fā)端傳輸?shù)焦饫w光柵；
[0027]所述光纖光柵為全通高反型光纖光柵，用于使第二環(huán)形器輸出的信號全部通過，且使得從光開關(guān)方向返回的信號以預(yù)定的透過率T部分透過，透過率T≤10％；
[0028]反射鏡用于將光纖輸出的信號反射回去，反射的信號依次經(jīng)傳導(dǎo)光纖、光開關(guān)、光纖光柵和第二環(huán)形器后，從第二環(huán)形器的輸出端輸出；
[0029]當(dāng)光緩釋器接收到脈沖光信號時(shí)，光本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于相干激光雷達(dá)的脈沖激光器，其特征在于，包括：調(diào)制脈沖光源、主耦合器，放大器，光緩釋器和環(huán)形器；其中，調(diào)制脈沖光源用來產(chǎn)生脈沖光信號；所述主耦合器用于將調(diào)制脈沖光源輸出的信號分為兩路，一路作為探測光輸出到放大器，一路脈沖光信號輸出到緩釋器；所述放大器用于將主耦合器輸出的探測光進(jìn)行放大后輸出到所述環(huán)形器；所述環(huán)形器用于輸出探測光信號，并將接收到的返回光信號從另一端輸出；所述光緩釋器用于接收主耦合器輸出的脈沖光，對每個(gè)接收到的脈沖進(jìn)行記憶，在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，將脈沖分成N份，以預(yù)定的時(shí)間間隔在不同的時(shí)刻離散射出形成準(zhǔn)本振光；其中，N為自然數(shù)，N≥10；當(dāng)一個(gè)脈沖周期結(jié)束后，光緩釋器清空所有能量，等待接收下個(gè)周期的光脈沖注入；所述光緩釋器的輸出端輸出的信號作為本振光，用于與環(huán)形器輸出的回波信號進(jìn)行拍頻。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于相干激光雷達(dá)的脈沖激光器，其特征在于，所述光緩釋器為線性光緩釋器；線性光緩釋器包括N段光纖、N個(gè)耦合器和合束器；合束器包括N個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端；每個(gè)耦合器用于將脈沖光信號分為兩路輸出，每個(gè)耦合器包括一個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端；其中，分光較小的部分與合束器的一個(gè)輸入端通過一段光纖連接；分光較大的部分與下個(gè)耦合器的輸入端連接；合束器的輸出端為光緩釋器的輸出端。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于相干激光雷達(dá)的脈沖激光器，其特征在于，每段光纖的長度為L1，L1＝(2S
×
n
被測
)/(N
×
n
光纖
)；其中，S為相干激光雷達(dá)的探測距離，n
被測
為被測物體的折射率；n
光纖
為光纖的折射率；N為探測點(diǎn)數(shù)，代表將整個(gè)探測距離分為N段。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于相干激光雷達(dá)的脈沖激光器，其特征在于，所述光緩釋器為環(huán)形光緩釋器；環(huán)形光緩釋器包括耦合器和環(huán)狀結(jié)構(gòu)，環(huán)狀結(jié)構(gòu)包括兩段光纖和光開關(guān)；耦合器包括兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，其中一個(gè)輸入端用于接收脈沖光信號，另一輸入端通過一段光纖與光開關(guān)的一端連接；耦合器兩個(gè)輸出端中，分光較大的部分與光開關(guān)的另一端通過另一段光纖連接；耦合器的分光較小的部分作為光緩釋器的輸出端；當(dāng)光緩釋器接收到脈沖光信號時(shí)，光開關(guān)為常閉狀態(tài)；直到從S位置返回的回波信號被采集后，打開光開關(guān)，將環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)的脈沖釋放后關(guān)閉，并等待下一個(gè)光脈沖進(jìn)入；S為相干激光雷達(dá)的探測距離。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于相干激光雷達(dá)的脈沖激光器，其特征在于，兩段光纖的長度之和為L2，L2＝(2S
×
n
被測
)/(N
×
n
光纖
)；其中，S為相干激光雷達(dá)的探測距離，n
被測
為被測物體的折射率；n
光纖
為光纖的折射率；N為探測點(diǎn)數(shù)，代表將整個(gè)探測距離分為N段。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于相干激光雷達(dá)的脈沖激光器，其特征在于，光緩釋器為線性反射式光緩釋器；線性反射式光緩釋器包括第二環(huán)形器、光纖光柵、光開關(guān)、傳導(dǎo)光纖及反射鏡；第二環(huán)形器包括輸入端、收發(fā)端和輸出端，第二環(huán)形器的輸入端用于接收脈沖光信號，
收發(fā)端與光纖光柵連接，光纖光柵與光開關(guān)、傳導(dǎo)光纖依次連接；第二環(huán)形器的輸出端作為光緩釋器的輸出端；接收到的脈沖光信號經(jīng)第二環(huán)形器的收發(fā)端傳輸?shù)焦饫w光柵；所述光纖光柵為全通高反型光纖光柵，用于使第二環(huán)形器輸出的信號全部通過，且使得從光開關(guān)方向返回的信號以預(yù)定的透過率T部分透過，透過率T≤10％；反射鏡用于將光纖輸出的信號反射回去，反射的信號依次經(jīng)傳導(dǎo)光纖、光開關(guān)、光纖光柵和第二環(huán)形器后，從第二環(huán)形器的輸...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王勇，黃光焰，熊夢杰，
申請(專利權(quán))人：武漢聚合光子技術(shù)有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：