CN105470798A - 一种线性调频单频脉冲光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种线性调频单频脉冲光纤激光器，包括：窄线宽种子源、射频信号源、电光调制器驱动器、双平行相位调制器、光纤分束器、声光调制器驱动器、声光调制器、光纤放大器。本发明具有高峰值功率的特点；本发明利用2×2MZI结构双平行相位调制器宽带线性频率调制，声光调制器脉冲斩波，光纤放大器高峰值功率输出。本发明具有峰值功率高，调制带宽大、调制速度快、调频线性度高、结构简单、全光纤化、人眼安全、线偏振输出的特点，能够满足远程高分辨率测距测速激光雷达的对激光光源的应用要求，可用于远程相干测距、合成孔径/逆合成孔径激光雷达、空间态势感知等领域。

Description

一种线性调频单频脉冲光纤激光器
技术领域
本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种线性调频单频脉冲光纤激光器。
背景技术
为了提高激光雷达的作用距离、距离分辨率和速度分辨率等指标，要求发射的激光信号具有大时宽带宽特征。线性调频信号和相位编码信号是两种典型的大时宽带宽信号。合成孔径激光雷达技术中采用的线性频率调制连续波技术，从激光持续时间来说，也存在激光连续发射和脉冲发射两种情形。即使是脉冲发射情形，脉冲的持续时间也必须远大于目标物体回波信号的飞行时间，好处是可以实现对高调制频率的降频处理，获得低的中频信号，降低信号处理难度。但是在激光连续输出和宽脉冲输出条件下，不可能实现高峰值功率，难以满足实际应用中的远程测量要求，同时极低的重复频率也不满足高速目标测量的帧频要求。因此在远程高精度测量系统中要求采用大能量、线性调频短脉冲相干激光光源。线性频率调制脉冲相干探测技术具有代表性的研究成果是美国麻省理工学院林肯实验室“火池”CO2激光雷达成像。“火池”光学装置用于长距离观测卫星、飞机和陆地目标等。1990年，“火池”CO2激光雷达发射6Hz重复频率、由一串32个宽度1μs、线性调频带宽1GHz上啁啾信号组成的包络宽度32μs的激光脉冲，成功地获取了世界上首幅轨道卫星精细的距离—多普勒图像。线性调频信号调制函数是连续的，属于“连续型”信号，而相位编码信号，其相位调制函数是离散的有限状态，属于“离散型”编码脉冲信号。由于相位编码采用伪随机序列，因此这类信号也称为伪随机编码信号。在相位编码中，是将宽脉冲分为许多短的等宽度或不等宽度子脉冲，每个子脉冲以不同的相位进行调制。其调制的顺序由指定的编码序列决定。相位编码脉冲信号在时域通过对信号的相位调制来获得很大的等效带宽，从而提高雷达的距离分辨力。在洛克希德马丁公司公开的两个室外SAL实验成像资料中，采用的是编码脉冲激光体制。洛克西德马丁公司在2011年采用1.5μm波长激光首次演示了机载合成孔径激光雷达成像，成像距离1.6km。光源为1550nm光纤激光器，脉冲宽度20ns，重频100kHz，采用内部脉冲相位编码展宽波形带宽为7GHz，实现2cm的距离分辨率。在20ns的脉冲幅度包络内脉内相位调制编码子脉冲波形最小宽度83ps。
目前未见其他具有大时宽带宽积信号特征的高峰值功率脉冲激光器报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种线性调频单频脉冲光纤激光器，旨在提供一种具有峰值功率高、调制带宽大、调制速度快、调频线性度高、结构简单、全光纤化、人眼安全、线偏振输出的具有大时宽带宽信号特征的全光纤结构的线性频率调制单频脉冲光纤激光器。
本发明是这样实现的，一种线性调频单频脉冲光纤激光器，所述线性调频单频脉冲光纤激光器包括：
窄线宽种子源，用于输出1.5微米波长线偏振连续激光；
射频信号源，用于产生与线性调频信号同步的脉冲斩波信号，送入到电光调制器驱动器；
电光调制器驱动器，用于将线性频率调制信号和偏置电压加载到双平行相位调制器；
双平行相位调制器，与窄线宽种子源输出端相连，激光在双平行相位调制器发生线性频率调制；
光纤分束器，与双平行相位调制器输出端相连，光纤分束器分出小部分调制后激光作为雷达本振光；
声光调制器驱动器，用于将脉冲斩波信号加载到声光调制器；
声光调制器，与光纤分束器输出相连，连续激光被斩波为脉冲激光输出；
光纤放大器，与声光调制器输出相连，放大后的激光从光纤放大器输出端输出。
进一步，所述窄线宽种子源为1.5微米波段输出连续激光的窄线宽半导体激光器、DBR/DFB光纤激光器、固体激光器中任意一种，光谱线宽小于200kHz，偏振态为线偏振，单模保偏光纤输出，输出光功率1～100mW。
进一步，所述双平行相位调制器2为2×2MZI结构的波导光学电光调制器，电光晶体材料为铌酸锂、钽铌酸钾。
进一步，所述射频信号源用于产生施加在双平行相位调制器上的线性频率调制的正弦波信号，信号载波频率10GHz，信号周期2μs，一个周期的信号由1μs带宽2GHz的上调频和1μs带宽2GHz的下调频信号组成；射频信号源同时用于产生施加在声光调制器上的脉冲斩波信号，信号脉冲重复频率1kHz，脉冲持续时间2μs。
进一步，所述电光调制器驱动器接收射频信号后，将射频信号转换为具有足够功率和固定相位差的两路信号，将两路信号和3路偏置电压加载到双平行相位调制器；两路信号的相位差和3路偏置电压根据需要实现的是上或下单边带载波抑制来供给。
进一步，所述光纤放大器为单模光纤放大器、双包层光纤放大器或两者组合构成的多级光纤放大器。
进一步，所述激光输出激光脉冲重复频率1kHz，脉冲宽度2μs，线性调频带宽2GHz。
本发明的另一目的在于提供一种包含所述线性调频单频脉冲光纤激光器的远程相干测距系统。
本发明的另一目的在于提供一种包含所述线性调频单频脉冲光纤激光器的合成孔径/逆合成孔径激光雷达系统。
本发明的另一目的在于提供一种包含述线性调频单频脉冲光纤激光器的空间态势感知系统。
本发明提供的线性调频单频脉冲光纤激光器，本发明相比现有技术有如下有益效果：
本发明具有窄线宽的特点，在窄线宽种子源激光腔外实现频率调制，在调频过程中保留种子源的窄线宽特性；本发明具有调制带宽大的特点，调制带宽由双平行相位调制器的调制带宽决定，目前可以实现1～18GHz带宽范围的调制，超过已报道的固体激光器的线性调频范围。本发明具有调制速度快的特点，在窄线宽种子源激光腔外实现频率调制，调制速度由射频信号源输出波形变化速率决定。本发明具有调频线性度高的特点，双平行相位调制器是波导光学器件，调制电压低于13V，调频线性度不受电子元器件压摆率限制，调频线性度远高于采用电光晶体内调制方案的固体激光器。本发明具有结构简单的特点，由双平行相位调制器实现线性频率调制，从调制器直接输出光载波和其它边带被高比例抑制的单边带信号，不需要进行光学滤波。本发明输出激光具有人眼安全的特点；本发明采用的光学元器件带尾纤输出，激光器结构具有全光纤化的特点；本发明具有输出线偏振激光的特点。本发明具有高峰值功率输出的特点。本发明能够满足远程高分辨率测距测速激光雷达的对激光光源的应用要求，可用于远程相干测距、合成孔径/逆合成孔径激光雷达、空间态势感知等领域。
附图说明
图1是本发明实施例提供的线性调频单频脉冲光纤激光器结构示意图；
图中：1、窄线宽种子源；2、双平行相位调制器；3、光纤分束器；4、声光调制器；5、光纤放大器；6、射频信号源；7、电光调制器驱动器；8、声光调制器驱动器；9、光纤分束器输出端；10、光纤放大器输出端。
图2是本发明实施例提供的是双平行相位调制器的原理结构图。
图3是本发明实施例提供的射频信号源发射的线性调频信号和脉冲斩波信号关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
参阅图1，线性频率调制单频脉冲光纤激光器构成包括：窄线宽种子源1、双平行相位调制器2、光纤分束器3、声光调制器4、光纤放大器5、射频信号源6、电光调制器驱动器7、声光调制器驱动器8、光纤分束器输出端9、光纤放大器输出端10。其中：
窄线宽种子源1输出1.5微米波长线偏振连续激光。射频信号源3产生线性频率调制信号，送入到电光调制器驱动器7，电光调制器驱动器7将线性频率调制信号和偏置电压加载到双平行相位调制器2。窄线宽种子源1输出端和双平行相位调制器2相连，激光在双平行相位调制器2发生线性频率调制。双平行相位调制器2输出端与光纤分束器3相连，光纤分束器输出端9输出部分调制后的激光作为雷达本振光。射频信号源3产生与线性调频信号同步的脉冲斩波信号，送入到声光调制器驱动器8，声光调制器驱动器8将脉冲斩波信号加载到声光调制器4。光纤分束器3输出与声光调制器4相连，连续激光被斩波为脉冲激光输出。声光调制器4输出与光纤放大器5相连，放大后的激光从光纤放大器输出端8输出。
下面是实施例中用到的关键元器件：
窄线宽种子源1可以为1.5微米波段输出连续激光的窄线宽半导体激光器、DBR/DFB光纤激光器、固体激光器中任意一种，光谱线宽小于200kHz，偏振态为线偏振，单模保偏光纤输出，输出光功率1～100mW。
双平行相位调制器2为2×2MZI结构的波导光学电光调制器，电光晶体材料可以为铌酸锂、钽铌酸钾等。
射频信号源3用于产生施加在双平行相位调制器2上的线性频率调制的正弦波信号，信号载波频率10GHz，信号周期2μs，一个周期的信号由1μs带宽2GHz的上调频和1μs带宽2GHz的下调频信号组成。射频信号源3同时用于产生施加在声光调制器4上的脉冲斩波信号，信号脉冲重复频率1kHz，脉冲持续时间2μs。
电光调制器驱动器4接收射频信号后，将其转换为具有足够功率和固定相位差的两路信号，将两路信号和3路偏置电压加载到双平行相位调制器2。两路信号的相位差和3路偏置电压根据需要实现的是上或下单边带载波抑制来供给。
光纤放大器5可以为单模光纤放大器、双包层光纤放大器或两者组合构成的多级光纤放大器。线性频率调制激光经放大后输出功率能够提高激光雷达的测量距离。
激光输出激光脉冲重复频率1kHz，脉冲宽度2μs，线性调频带宽2GHz。
本发明的工作原理是：
在本发明中，所述的双平行相位调制器为核心器件，结构参阅图2。调制器采用双重并联设计，在马赫-曾德尔干涉仪(MZI)中嵌套了两个子MZI，形成2×2MZI结构。只要对MZI1、MZI2、MZI3施加特定的偏置电压，驱动MZI1、MZI2的射频信号具有特定相位延迟，双平行相位调制器就可以实现单边带载波抑制。双平行相位调制器实现了对光波移频的功能。用线性频率调制的射频信号驱动双平行相位调制器能够实现输出光移频量随射频信号变化，实现光频率的线性频率调制。
本发明的射频信号源发射的信号关系是：
在本发明中，所述的射频信号源分别产生线性频率调制正弦波信号和脉冲斩波信号，两个信号具有同步性的要求，相互关系参阅图3。线性频率调制正弦波信号的带宽为F，周期为T，前T/2为频率上啁啾信号，后T/2为频率下啁啾信号，信号连续无间隔输出。脉冲斩波信号的脉冲持续时间t等于线性频率调制正弦波信号的周期T，t与T起始时间相同，脉冲斩波信号的一个脉冲正好包括线性频率调制正弦波信号的一个周期或多个周期。线性频率调制正弦波信号的重复频率大于脉冲斩波信号的重复频率。
本发明与“火池”雷达激光器的区别在于：
1、“火池”雷达激光器为CO2气体激光器，本发明是光纤激光器；
2、“火池”CO2激光器是对种子光脉冲进行线性频率调制，本发明先对激光进行线性频率调制，再通过声光调制器进行脉冲斩波；
3、“火池”CO2激光器采用电光体调制器实现线性频率调制，本发明使用双平行相位调制器进行调制。
4、“火池”CO2激光器的本振光未经过线性频率调制，本发明的本振激光在线性频率调制后分出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种线性调频单频脉冲光纤激光器，其特征在于，所述线性调频单频脉冲光纤激光器包括：
窄线宽种子源，用于输出1.5微米波长线偏振连续激光；
射频信号源，用于产生与线性调频信号同步的脉冲斩波信号，送入到电光调制器驱动器；
电光调制器驱动器，用于将线性频率调制信号和偏置电压加载到双平行相位调制器；
双平行相位调制器，与窄线宽种子源输出端相连，激光在双平行相位调制器发生线性频率调制；
光纤分束器，与双平行相位调制器输出端相连，光纤分束器分出小部分调制后激光作为雷达本振光；
声光调制器驱动器，用于将脉冲斩波信号加载到声光调制器；
声光调制器，与光纤分束器大功率输出端相连，连续激光被斩波为脉冲激光输出；
光纤放大器，与声光调制器输出相连，放大后的激光从光纤放大器输出端输出。
2.如权利要求1所述的线性调频单频脉冲光纤激光器，其特征在于，所述窄线宽种子源为1.5微米波段输出连续激光的窄线宽半导体激光器、DBR/DFB光纤激光器、固体激光器中任意一种，光谱线宽小于200kHz，偏振态为线偏振，单模保偏光纤输出，输出光功率1～100mW。
3.如权利要求1所述的线性调频单频脉冲光纤激光器，其特征在于，所述双平行相位调制器为2×2MZI结构的波导光学电光调制器，电光晶体材料为铌酸锂、钽铌酸钾。
4.如权利要求1所述的线性调频单频脉冲光纤激光器，其特征在于，所述射频信号源用于产生施加在双平行相位调制器上的线性频率调制的正弦波信号，信号载波频率10GHz，信号周期2μs，一个周期的信号由1μs带宽2GHz的上调频和1μs带宽2GHz的下调频信号组成；射频信号源同时用于产生施加在声光调制器上的脉冲斩波信号，信号脉冲重复频率1kHz，脉冲持续时间2μs。
5.如权利要求1所述的线性调频单频脉冲光纤激光器，其特征在于，所述电光调制器驱动器接收射频信号后，将射频信号转换为具有足够功率和固定相位差的两路信号，将两路信号和3路偏置电压加载到双平行相位调制器；两路信号的相位差和3路偏置电压根据需要实现的是上或下单边带载波抑制来供给。
6.如权利要求1所述的线性调频单频脉冲光纤激光器，其特征在于，所述光纤放大器为单模光纤放大器、双包层光纤放大器或两者组合构成的多级光纤放大器。
7.如权利要求1所述的线性调频单频脉冲光纤激光器，其特征在于，所述激光输出激光脉冲重复频率1kHz，脉冲宽度2μs，线性调频带宽2GHz。
8.一种包含权利要求1-7任意一项所述线性调频单频脉冲光纤激光器的远程相干测距系统。
9.一种包含权利要求1-7任意一项所述线性调频单频脉冲光纤激光器的合成孔径/逆合成孔径激光雷达系统。
10.一种包含权利要求1-7任意一项所述线性调频单频脉冲光纤激光器的空间态势感知系统。
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