CN109884655A - 基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统，包括光注入半导体激光器模块用于产生中心频率在一定范围内连续可调的光载调频连续波；调节控制模块用于调节光注入半导体激光器模块的注入功率和频率失谐参数；光调制模块用于对注入光注入半导体激光器模块的光进行强度调制；光反馈模块用于将光注入半导体激光器模块输出的光引出并形成一个光反馈环路，并使该光反馈环路与测距环路相结合；频谱测量模块用于测量光反馈环路输出的光载调频连续波信号的频谱；测距模块用于根据频谱来计算反馈环路的长度。本发明具有结构简单，成本低，易于实现等优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器、微波光子学技术以及雷达测距技术领域，具体涉及基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统。
背景技术
调频连续波(Frequency-modulated continuous-wave,FMCW)微波信号是一种频率随时间变化的微波信号，其能够广泛地应用于雷达测距、成像以及通信等领域。在雷达测距领域，调频连续波雷达由于具有平均发射功率比较低，距离分辨率较高，不存在探测盲区，设备相对简单，易于实现固态化等优势而受到人们广泛的关注。
目前，传统的调频连续波微波测距系统的主要工作流程是：首先由线性调制器对载波进行频率调制，生成发射信号，线性调制器中的调制信号的周期要远远大于待测目标回波时延，发射信号通过天线发射出去，遇到目标后形成反射信号，反射至收发天线，在此时间内，发射信号的频率相对反射信号已经形成一定的频率变化，通过耦合器耦合到混频器上的发射信号与通过天线接收到的回波信号进行混频便得到差频信号，再将差频信号进行滤波、放大、采样、数字信号处理等运算，就可以得到发射信号与接收信号的频率差，再经过一定运算便能得到待测目标的距离，同时也可以提取目标的速度信息。
近年来，激光测距系统由于具有分辨率高、隐蔽性好、抗干扰能力强、低空探测性能好、体积小、质量轻等优点而受到人们的广泛关注。因此，将以上两类测距系统相结合的调频连续波激光测距系统也成为目前的一个重要的发展方向。在该系统中，需要利用光子学技术产生光载调频连续波。其主要的方法有：频域-时域映射法、外差拍频法、相干光拍频法、集成双模激光器法和光注入法等。其中频域-时域映射法利用了一个光谱整形器，但由于光谱整形器的固定频率响应，该方法产生的调频连续波的调谐性较低；外差拍频法采用一个连续光与波长扫描光进行拍频，由于两个激光器之间并没有固定的相位关系，因此其产生的调频连续波信号线宽较大，稳定性较差；相干光拍频法将两个具有二次相位差的相干光进行拍频，但其频率扫描范围也受到调制器带宽的限制；双集成双模激光器法的结构紧凑，稳定性较好，易于集成，但其调谐的范围受到一定的限制。
光注入法是将第一半导体激光器发出的光注入到第二半导体激光器中，在合适的注入功率和频率失谐的条件下，第二半导体激光器将工作在单周期非线性动力学态，此时输出光强将以一个微波频率振荡从而产生光子微波，而光子微波频率会随注入光强度呈线性变化。如果利用马赫曾德尔调制器对注入光的强度进行调制，则在第二半导体激光器中将产生调频连续波光子微波信号。该方案具有结构简单，成本低，调谐范围大，易于稳定等优势。
在现有的调频连续波微波或激光测距方案中，其原理都是基于对发射和反射回的微波或激光进行对比从而计算出距离，但是其操作相对比较复杂。
发明内容
本发明的目的解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种只需要测量激光器输出的光载调频连续波信号的频谱就能够实现距离测量的基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统，具有测量精度高、运算简单、速度快等优点。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统，包括光注入半导体激光器模块、调节控制模块、光调制模块、光反馈模块、频谱测量模块、测距模块；
所述光注入半导体激光器模块用于产生中心频率在一定范围内连续可调的光载调频连续波；
所述调节控制模块用于稳定激光器的温度和偏置电流，并能够通过其调节光注入半导体激光器模块中的注入功率和频率失谐参数，以使得光注入半导体激光器模块产生中心频率在一定范围内连续可调的光载调频连续波；
所述光调制模块用于对注入光注入半导体激光器模块的光进行强度调制，以使光注入半导体激光器模块产生调频连续波光子微波信号；
所述光反馈模块用于将光注入半导体激光器模块输出的光引出并形成一个光反馈环路，使其周期与调频连续波周期信息相匹配，并使该光反馈环路与测距环路相结合；
所述频谱测量模块用于测量光反馈环路输出的光载调频连续波信号的频谱；
所述测距模块用于根据频谱测量模块测量得到的频谱来计算反馈环路的长度。
进一步地，如上所述的基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统，所述光注入半导体激光器模块包括：第一半导体激光器、第二半导体激光器、第一偏振态控制器、第二偏振态控制器、光放大器、光衰减器、光耦合器和光环形器；
所述第一半导体激光器发出的光束依次经过第一偏振态控制器、光调制模块、第二偏振态控制器、光放大器、光衰减器和光纤耦合器后进入光环形器的端口1，并经由光环形器的端口2注入到第二半导体激光器。
进一步地，如上所述的基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统，所述调节控制模块包括与第一半导体激光器连接的第一电流控制器和与第二半导体激光器连接的第二电流控制器，以及
与第一半导体激光器连接的第一温度控制器和与第二半导体激光器连接的第二温度控制器。
进一步地，如上所述的基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统，所述光调制模块包括：信号发生器和马赫-曾德光强调制器；
所述第一半导体激光器发出的光束经第一偏振态控制器后通过进入由微波信号发生器驱动的马赫-曾德光强调制器，被强度调制的激光经第二偏振态控制器、光放大器、光衰减器、光耦合器后进入光环形器的端口1，并经由端口注入到第二半导体激光器实现光注入。
进一步地，如上所述的基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统，所述光反馈模块包括：
第一耦合透镜、探测目标、反射镜、半反射镜、第二耦合透镜、第三偏振态控制器；
第二半导体激光器输出的光信号经端口2进入光环形器并由端口3输出，再经第一耦合透镜准直进入空间传输，该光信号经探测目标反射后经过反射镜入射到半反射镜并分为两路光信号，其中一路输出用于频谱测量模块进行测量，另一路由第二耦合透镜再进入光纤路径传输，经过光纤耦合器和光环行器后反馈回第二半导体激光器。
进一步地，如上所述的基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统，所述第一半导体激光器、第二半导体激光器均为商用半导体激光器，中心波长1550nm。
进一步地，如上所述的基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统，所述第一电流控制器、第二电流控制器、第一温度控制器、第二温度控制器分别通过通用接口总线(Genera l-Purpose I nterface Bus，GP I B)与计算机连接。
本发明的有益效果是：
本发明提供的测距系统，将光反馈环路与测距环路相结合，从而获得反馈环路的长度在引入一个激光反馈环路后，当反馈环路的周期与调频连续波周期信息相匹配时，该光载调频连续波的频谱中频率梳结构的对比度将极大地增强，因此只需要测量激光器输出的光载调频连续波信号的频谱就能够实现距离的测量，而不需要进行发射和接收信号的对比。本发明系统具有结构简单，精度高，成本低，易于实现等优点。
此外，由于传统的电学方法受限于电子器件的频率带宽，因此产生的微波频率无法达到更高，而本发明提供的系统由于采用光载调频连续波激光测距，因此能够产生更高频率的光载微波，因此显著减少了高成本的高频电子设备的使用、避免了电子瓶颈的限制，从而能够适用于更大的应用领域。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的实施例实验验证装置图；
图3(a)为单周期状态下的光谱图；
图3(b)是在不同的频率失谐下，光子微波频率随注入功率的变化曲线；
图4(a)是在没有光反馈环路的情况下，光载调频连续波的频谱图；
图4(b)是有反馈环路的情况下，光载调频连续波的频谱图；
图5是光载调频连续波频谱中频率梳的对比度随调制频率的变化曲线；
其中：1、第一半导体激光器；2、第一偏振态控制器；3、马赫-曾德光强调制器；4、信号发生器；5、第二偏振态控制器；6、光放大器；7、光衰减器；8、光纤耦合器；9、光环形器；10、第二半导体激光器；11、第一电流控制器；12、第一温度控制器；13、第二电流控制器；14、第二温度控制器；15、第一耦合透镜；16、探测目标；17、反射镜；18、半反射镜；19、第二耦合透镜；20、第三偏振态控制器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统，包括光注入半导体激光器模块、调节控制模块、光调制模块、光反馈模块、频谱测量模块、测距模块；
所述光注入半导体激光器模块用于产生中心频率在一定范围内连续可调的光载调频连续波；
所述调节控制模块用于稳定激光器的温度和偏置电流，并能够通过其调节光注入半导体激光器模块中的注入功率和频率失谐参数，以使得光注入半导体激光器模块产生中心频率在一定范围内连续可调的光载调频连续波；
所述光调制模块用于对注入光注入半导体激光器模块的光进行强度调制，以使光注入半导体激光器模块产生调频连续波光子微波信号；
所述光反馈模块用于将光注入半导体激光器模块输出的光引出并形成一个光反馈环路，使其周期与调频连续波周期信息相匹配，并使该光反馈环路与测距环路相结合；
所述频谱测量模块用于测量光反馈环路输出的光载调频连续波信号的频谱；
所述测距模块用于根据频谱测量模块测量得到的频谱来计算反馈环路的长度。
具体的，如图1所示，所述光注入模块包括第一半导体激光器1、第一偏振态控制器2、第二偏振态控制器5、光放大器6、光衰减器7、光耦合器8、光环形器9和第二半导体激光器10。
所述调节控制模块包括第一电流控制器11、第一温度控制器12、第二电流控制器13和第二温度控制器14。
所述光调制模块包括马赫-曾德光强调制器3和微波信号发生器4。
所述光反馈模块包括第一耦合透镜15、探测目标16、反射镜17、半反射镜18、第二耦合透镜19、第三偏振态控制器20。
所述第一半导体激光器1、第二半导体激光器10可以选用商用半导体激光器LDM5S515-005，中心波长1550nm，也可使用其他型号的半导体激光器。
工作过程：所述第一半导体激光器1发出的光束经第一偏振态控制器2后通过进入由微波信号发生器驱动4的马赫-曾德光强调制器3，被强度调制的激光经第二偏振态控制器5、光放大器6、光衰减器7、光耦合器8后进入光环形器9的端口1，并经由端口2注入到第二半导体激光器10实现光注入，通过控制第一电流控制器11和第一温度控制器12调节注入功率和频率失谐这两个注入参数，使第二半导体激光器10输出为单周期振荡态的非线性动力学态，此时其输出的光信号经端口2进入光环形器9并由端口3输出，再经第一耦合透镜15发射出去，探测激光经探测目标16反射后经反射镜17、半反射镜18、第二耦合透镜19和第三偏振态控制器20后反馈回第二半导体激光器10。所述半反镜是将入射激光分为两束，一束反射用于反馈回第二半导体激光器，一束透射用于探测处理。
为了精确地控制激光器的温度和电流，第一、第二电流控制器和第一、第二温度控制器均可通过GPIB由计算机进行远程控制，以达到精确地调节注入功率和频率失谐的目的。所述第一、二、三偏振态控制器可以通过精细调节，以保证注入、反馈光与第二半导体激光器的输出光偏振态相匹配。所述第二温度控制器和第二电流控制器用于控制第二半导体激光器的温度和电流，使其工作在稳定的自由运行状态。
本申请与通常的测距方式不同的是，该测距系统不用计算发射光信号与接收信号之间的时间或者相关性，而是利用测量光路作为反馈回路，通过测量并判断输出调频连续波信号的对比度达到最佳值，此时的调制信号频率必然与反馈延迟时间的倒数相等，这样做的能够避免同时测量两路光信号并进行相关计算，只需要分析激光器输出信号的对比度即可推算出反馈环路的时间，从而达到测距的目的。
实施例1
如图2所示，在本实施例中，第一半导体激光器DBF-SL1和第二半导体激光器DFB-SL2均为带尾纤的分布反馈半导体激光器DFB，发射波长为1550nm，其偏置电流和温度由一个超低噪声和高精确度的激光驱动源(ILX-Lightwave,LDC-3724B)控制IC1、TC1和IC2、TC2。DBF-SL1输出的光束经第一偏振态控制器PC1、马赫-曾德光强调制器MZM、第二偏振态控制器PC2，光放大器EDFA、第一光衰减器VA1、第一光耦合器FC1进入到光环形器CIR端口1，再通过CIR端口2注入到DFB-SL2，注入光功率通过第二耦合器FC2用功率计PM进行监控，DFB-SL2输出的光信号经CIR端口3输出，并通过第三耦合器FC3、第二光衰减器VA2、第三偏振态控制器PC3反馈回DFB-SL2，FC3的另一路进入测试系统，所述测试系统包括两个个高速光电探测器PD1、PD2(U2T-XPDV3120R,带宽70GHz、)、一个高速宽带示波器(OSC,AgilentDSO-X91604A,16GHz带宽)一个电谱分析仪ESA,(FSW,67GHz带宽)和一个光谱分析仪OSA,(Ando AQ6317C)，通过调节DBF-SL1的波长及输出功率能够使DBF-SL2工作在单周期非线性动力学态，从而产生中心频率在很大范围内连续可调的光载调频连续波。首先将DBF-SL2的偏置电流固定在48.90mA，温度控制在20.55℃，通过调节频率失谐和注入强度，获得了11.41到50.05GHz的大范围连续调谐光子微波，如图3所示，图3是不同注入参数下产生的光载调频连续波中心频率，其中图3(a)为单周期状态下的光谱图，图3(b)是在不同的频率失谐下，光子微波频率随注入功率的变化曲线，从图中可以看出，本发明的技术方案能够输出大范围连续可调的高频光子微波且光子微波频率随注入功率线性增加。随后，我们利用MZM对注入光进行强度调制，这样输出的光子微波频率将随调制信号发生变化，即产生了光载调频连续波信号。
图4所示为没有光反馈环路和有光反馈环路时，光载调频连续波的频谱。理想的光载调频连续波信号的频谱应该是一定范围内频率梳，但由于激光器随机相位噪声的影响，该频率梳对比度相对较小，如图4(a)所示。而当引入光反馈环路后，频率梳的对比度将被提高，而当反馈时间的倒数刚好等于调制信号的频率时，对比度将达到最大值。图4(b)所示即为当反馈时间倒数等于调制频率fm时，频率梳的对比度从之前的10.38dB增大到了37.53dB。本发明正是利用了这个关系，将反馈环路同时作为测距模块。图5显示了不同频率失谐下，频率梳对比度随调制频率的变化曲线。可以看出，当调制频率刚好等于反馈时间倒数时，该曲线达到最大值。因此，在测距过程中我们只需要找出达到最大对比度所需要的调制频率，就能够算出反馈环路的长度。
在整个实验系统中，所有仪器通过GPIB和高速数据采集卡与计算机连接，可以实现对实验数据的采集、实时分析评估及实验系统的调控。
相比现有的激光测距系统，本发明提供的首先利用了基于光注入半导体激光器非线性动力学的光生微波技术产生光载调频连续波，避免了电子瓶颈的限制；利用反馈环路提高频率梳对比度的关系，实现了对反馈环路长度的测量，避免了传统的将发射激光与接收激光进行对比的方法，只分析DFB-SL2输出的光载调频连续波信号的频谱，进而计算出反馈环路的距离。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统，其特征在于，包括光注入半导体激光器模块、调节控制模块、光调制模块、光反馈模块、频谱测量模块、测距模块；
所述光注入半导体激光器模块用于产生中心频率在一定范围内连续可调的光载调频连续波；
所述调节控制模块用于稳定激光器的温度和偏置电流，并能够通过其调节光注入半导体激光器模块中的注入功率和频率失谐参数，以使得光注入半导体激光器模块产生中心频率在一定范围内连续可调的光载调频连续波；
所述光调制模块用于对注入光注入半导体激光器模块的光进行强度调制，以使光注入半导体激光器模块产生调频连续波光子微波信号；
所述光反馈模块用于将光注入半导体激光器模块输出的光引出并形成一个光反馈环路，使其周期与调频连续波周期信息相匹配，并使该光反馈环路与测距环路相结合；
所述频谱测量模块用于测量光反馈环路输出的光载调频连续波信号的频谱；
所述测距模块用于根据频谱测量模块测量得到的频谱来计算反馈环路的长度。
2.根据权利要求1所述的基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统，其特征在于，所述光注入半导体激光器模块包括：第一半导体激光器、第二半导体激光器、第一偏振态控制器、第二偏振态控制器、光放大器、光衰减器、光耦合器和光环形器；
所述第一半导体激光器发出的光束依次经过第一偏振态控制器、光调制模块、第二偏振态控制器、光放大器、光衰减器和光纤耦合器后进入光环形器的端口1，并经由光环形器的端口2注入到第二半导体激光器。
3.根据权利要求2所述的基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统，其特征在于，所述调节控制模块包括与第一半导体激光器连接的第一电流控制器和与第二半导体激光器连接的第二电流控制器，以及
与第一半导体激光器连接的第一温度控制器和与第二半导体激光器连接的第二温度控制器。
4.根据权利要求2所述的基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统，其特征在于，所述光调制模块包括：信号发生器和马赫-曾德光强调制器；
所述第一半导体激光器发出的光束经第一偏振态控制器后通过进入由微波信号发生器驱动的马赫-曾德光强调制器，被强度调制的激光经第二偏振态控制器、光放大器、光衰减器、光耦合器后进入光环形器的端口1，并经由端口注入到第二半导体激光器实现光注入。
5.根据权利要求2所述的基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统，其特征在于，所述光反馈模块包括：
第一耦合透镜、探测目标、反射镜、半反射镜、第二耦合透镜、第三偏振态控制器；
第二半导体激光器输出的光信号经端口2进入光环形器并由端口3输出，再经第一耦合透镜准直进入空间传输，该光信号经探测目标反射后经过反射镜入射到半反射镜并分为两路光信号，其中一路输出用于频谱测量模块进行测量，另一路由第二耦合透镜再进入光纤路径传输，经过光纤耦合器和光环行器后反馈回第二半导体激光器。
6.根据权利要求2所述的基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统，其特征在于，所述第一半导体激光器、第二半导体激光器均为商用半导体激光器，中心波长1550nm。
7.根据权利要求3所述的基于光注入半导体激光器的光载调频连续波激光测距系统，其特征在于，所述第一电流控制器、第二电流控制器、第一温度控制器、第二温度控制器分别通过GP I B与计算机连接。
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Application publication date: 20190614 Assignee: CHONGQING SITAIBAO TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: SOUTHWEST University Contract record no.: X2024980020966 Denomination of invention: Optical Carrier Frequency Modulated Continuous Wave Laser Ranging System Based on Optical Injection Semiconductor Laser Granted publication date: 20230407 License type: Common License Record date: 20241114 |
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Application publication date: 20190614 Assignee: CHONGQING JIAJING ELECTRONIC EQUIPMENT Co.,Ltd. Assignor: SOUTHWEST University Contract record no.: X2024980021346 Denomination of invention: Optical Carrier Frequency Modulated Continuous Wave Laser Ranging System Based on Optical Injection Semiconductor Laser Granted publication date: 20230407 License type: Common License Record date: 20241119 |