CN111641100B

CN111641100B - 一种激光器输出控制装置、控制方法及激光测风雷达

Info

Publication number: CN111641100B
Application number: CN202010478862.0A
Authority: CN
Inventors: 汤凯威
Original assignee: Shanghai Kenaite Laser Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Kenaite Laser Technology Co ltd
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2040-05-29
Also published as: CN111641100A

Abstract

本发明实施例公开了一种激光器输出控制装置、控制方法及激光测风雷达。其中激光器输出控制装置包括在连续单频激光器出射光路上依次排布的数字调制型声光调制器、模拟调制型声光调制器以及光放大器；数字调制型声光调制器用于将连续单频激光器输出的连续激光调制为第一波形的脉冲激光；模拟调制型声光调制器用于将第一波形的脉冲激光调制为第二波形的脉冲激光；光放大器用于将第二波形的脉冲激光放大为第三波形的脉冲激光；其中，第一波形和第三波形均为方波，第二波形为上升沿小于下降沿的类三角波。本发明实施例的技术方案，可以使脉冲在放大过程中基本不会发生变形，从而实现极高单脉冲能量的激光输出。

Description

一种激光器输出控制装置、控制方法及激光测风雷达

技术领域

本发明实施例涉及激光测风雷达技术，尤其涉及一种激光器输出控制装置、控制方法及激光测风雷达。

背景技术

大气风对人类的日常工作与生活影响较大。对大气风场进行实时快速探测与分析在飞行安全、数值天气预报、灾害天气防治、空间天气态势分析、风力发电、轨道测风、星际测风、军事环境预报等方面具有重要意义。激光多普勒测风雷达是一种新型大气风场探测设备，能够实时、准确、有效地探测远距离的大气风场信息，包括风切变、风速等信息。利用大气风场的数据，可以获得大气的变化，并预见其改变，促进人类对能量、水、气溶胶、化学和其它空气物质圈的了解，对于大气污染的检测、军事环境预报、提高风能资源的利用效率、提升航空航天的安全性、改进气候研究模型等具有重大意义。激光多普勒测风雷达更有人眼安全、系统整体结构紧凑、体积小、准确性高、便于运输等优势，成为近些年来的研究热点。

典型的激光多普勒测风雷达系统包括高脉冲能量激光出射装置和数据采集处理装置两部分。目前，一般通过脉冲调制器将连续光调制为脉冲光，脉冲调制器最常用数字调制型声光调制器。声光调制是通过声光晶体对输出激光进行直接调制，从而实现将连续的激光调制成脉冲的激光输出，而且在调制过程中不改变光的频率、相位、线宽等参数，仅仅使激光的幅值成周期性的变化。现有的结构中，连续单频激光经过两个数字调制型声光调制器后变成方波脉冲，方波脉冲通过放大器时，由于放大器的瞬态增益效应，脉冲的前沿将得到优先放大，而脉冲的后沿得不到充分的增益，导致放大后脉冲的脉宽急剧下降，从而引起脉冲形状的畸变。此时的脉冲峰值比原脉宽要高出很多，极易出现非线性效应，破坏前级放大光路，同时导致放大后的功率和单脉冲能量不再增加，进而影响测风雷达的探测距离。

发明内容

本发明实施例提供一种激光器输出控制装置、控制方法及激光测风雷达，该激光器输出控制装置可以使脉冲在放大过程中基本不会发生变形，从而实现极高单脉冲能量的激光输出。

第一方面，本发明实施例提供一种激光器输出控制装置，用于使连续单频激光器输出的连续激光转换为脉冲激光，包括在所述连续单频激光器出射光路上依次排布的数字调制型声光调制器、模拟调制型声光调制器以及光放大器；

所述数字调制型声光调制器用于将所述连续单频激光器输出的连续激光调制为第一波形的脉冲激光；

所述模拟调制型声光调制器用于将所述第一波形的脉冲激光调制为第二波形的脉冲激光；

所述光放大器用于将所述第二波形的脉冲激光放大为第三波形的脉冲激光；

其中，所述第一波形和所述第三波形均为方波，所述第二波形为上升沿小于下降沿的类三角波。

可选的，还包括双通道信号发生器，所述双通道信号发生器的第一输出通道与所述数字调制型声光调制器连接，用于向所述数字调制型声光调制器输出数字控制信号；

所述双通道信号发生器的第二输出通道与所述模拟调制型声光调制器连接，用于向所述模拟调制型声光调制器输出模拟控制信号。

可选的，所述数字控制信号为TTL信号。

可选的，所述连续单频激光器为光纤激光器，所述连续单频激光器、所述数字调制型声光调制器、所述模拟调制型声光调制器以及所述光放大器通过光纤依次连接。

可选的，所述光纤为保偏光纤。

可选的，所述光放大器为光纤放大器。

第二方面，本发明实施例还提供一种激光器输出控制方法，利用上述任意一种激光器输出控制装置执行，包括：

数字调制型声光调制器将连续单频激光器输出的连续激光调制为第一波形的脉冲激光；

模拟调制型声光调制器将所述第一波形的脉冲激光调制为第二波形的脉冲激光；

光放大器将所述第二波形的脉冲激光放大为第三波形的脉冲激光；

可选的，还包括：

检测所述第三波形的形状；

若所述第三波形的上升沿和下降沿的强度比大于预设阈值，则利用所述模拟调制型声光调制器调整所述第二波形的上升沿和下降沿的比例；

循环以上步骤，直至所述第三波形的上升沿和下降沿的强度比小于或等于所述预设阈值。

第三方面，本发明实施例还提供一种激光测风雷达，包括连续单频激光器、分束器、环行器、合束器、探测单元、数据处理单元以及权利要求1～6任一所述的激光器输出控制装置；

所述分束器用于将所述连续单频激光器出射的连续激光分束为第一光束和第二光束，所述第一光束入射至所述激光器输出控制装置，所述第二光束入射至所述合束器的第一输入端；

所述激光器输出控制装置用于将所述第一光束转换为脉冲激光，并传输至所述环行器的第一端；

所述环行器用于通过第二端出射所述脉冲激光，并接收回波光束，所述环行器的第三端将所述回波光束传输至所述合束器的第二输入端；

所述探测单元用于接收所述第二光束和所述回波光束；

所述数据处理单元用于计算风速。

可选的，所述连续单频激光器、所述分束器、所述环行器、所述合束器、以及所述探测单元均通过保偏光纤连接。

本发明实施例提供的激光器输出控制装置，用于使连续单频激光器输出的连续激光转换为脉冲激光，包括在连续单频激光器出射光路上依次排布的数字调制型声光调制器、模拟调制型声光调制器以及光放大器；通过数字调制型声光调制器将连续单频激光器输出的连续激光调制为方波形状的脉冲激光；通过模拟调制型声光调制器将第一波形的脉冲激光调制为上升沿小于下降沿的类三角波脉冲激光；通过光放大器将上升沿小于下降沿的类三角波放大为方波，从而避免光放大器的瞬态增益效应导致的信号畸变，避免脉冲宽度下降，实现极高单脉冲能量的激光输出。

附图说明

图1是现有技术中一种激光器输出控制装置的结构示意图；

图2是现有技术中第二数字调制型声光调制器输出的脉冲示意图；

图3是现有技术中光放大器输出的脉冲示意图；

图4是本发明实施例提供的一种激光器输出控制装置的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种第二波形的曲线示意图；

图6是本发明实施例提供的一种第三波形的曲线示意图；

图7是本发明实施例提供的一种激光器输出控制方法的流程示意图；

图8是本发明实施例提供的一种激光测风雷达的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1所示为现有技术中一种激光器输出控制装置的结构示意图。该激光器输出控制装置用于使连续单频激光器1输出的连续激光转换为脉冲激光，包括第一数字调制型声光调制器2、第二数字调制型声光调制器3以及光放大器4；连续单频激光器1输出的连续激光经过第一数字调制型声光调制器2和第二数字调制型声光调制器3后变成方波脉冲，图2所示为现有技术中第二数字调制型声光调制器输出的脉冲示意图。方波脉冲通过光放大器4时，由于光放大器4的瞬态增益效应，脉冲的前沿(上升沿)将得到优先放大，而脉冲的后沿(下降沿)得不到充分的增益，导致放大后脉冲的脉宽急剧下降，从而引起脉冲形状的畸变，图3所示为现有技术中光放大器输出的脉冲示意图。此时的脉冲峰值比原脉宽要高出很多，极易出现非线性效应，破坏前级放大光路，同时导致放大后的功率和单脉冲能量不再增加，用于测风雷达时可能影响探测距离。

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种激光器输出控制装置，图4所示为本发明实施例提供的一种激光器输出控制装置的结构示意图，本实施例提供的激光器输出控制装置用于使连续单频激光器输出的连续光转换为脉冲激光，该装置可适用于激光测风雷达中，包括在连续单频激光器1出射光路上依次排布的数字调制型声光调制器10、模拟调制型声光调制器20以及光放大器30；数字调制型声光调制器10用于将连续单频激光器1输出的连续激光调制为第一波形的脉冲激光；模拟调制型声光调制器20用于将第一波形的脉冲激光调制为第二波形的脉冲激光；光放大器30用于将第二波形的脉冲激光放大为第三波形的脉冲激光；其中，第一波形和第三波形均为方波，第二波形为上升沿小于下降沿的类三角波。

可以理解的是，声光调制器是以声光效应为理论基础，对光信号采用强度调制的方式，将待传输信息加载到光载波上的光学器件。声光调制器由电声换能器、声光介质、吸声(或反射)装置及驱动源组成。控制信号传至声光调制器驱动源，驱动源输出射频驱动信号作用于电声换能器，电声换能器将电功率转换为声功率在声光介质中产生超声波，入射光波与介质内超声波经声光互作用后发生衍射现象，衍射光光强受到超声驱动功率调制，即衍射效率受到驱动源输出电功率的控制，使衍射光成为可传输信息的强度调制波，其中控制信号可以通过信号发生器产生。本实施例中，数字调制型声光调制器将连续光调制成脉冲方波，模拟调制型声光调制器将脉冲方波调制成上升沿低，下降沿高的类似于三角波的脉冲波形。上升沿和下降沿的高低差值可以根据放大器的放大倍率，测试放大后的脉冲波形时进行微调，直至最终放大后的波形接近方波。类三角波脉冲波形放大后不会出现脉冲宽度的急剧下降，因此单脉冲能量可以做的更高。通过将模拟调制型声光调制器20的输出端和光放大器30的输入端连接，经过放大后，可以用示波器测试放大器的输出波形，放大后的波形接近方波。即得到了更高的单脉冲能量。示例性的，图5所示为本发明实施例提供的一种第二波形的曲线示意图，图6所示为本发明实施例提供的一种第三波形的曲线示意图。

本实施例的技术方案，通过数字调制型声光调制器将连续单频激光器输出的连续激光调制为方波形状的脉冲激光；通过模拟调制型声光调制器将第一波形的脉冲激光调制为上升沿小于下降沿的类三角波脉冲激光；通过光放大器将上升沿小于下降沿的类三角波放大为方波，从而避免光放大器的瞬态增益效应导致的信号畸变，避免脉冲宽度下降，实现极高单脉冲能量的激光输出。

在上述技术方案的基础上，继续参考图4，可选的，本实施例提供的激光器输出控制装置还包括双通道信号发生器40，双通道信号发生器40的第一输出通道与数字调制型声光调制器10连接，用于向数字调制型声光调制器10输出数字控制信号；双通道信号发生器40的第二输出通道与模拟调制型声光调制器30连接，用于向模拟调制型声光调制器30输出模拟控制信号。

其中，可选的，数字控制信号可以为TTL信号。具体实施时，双通道信号发生器可以选用KEYSIGHT 33600A系列的信号发生器。通过使用双通道信号发生器，可以保证两个通道的同步性，在其他实施例中，也可以采用其他的控制信号生成装置，例如数字调制型声光调制器10和模拟调制型声光调制器20分别与一个单通道信号发生器连接，受相应的信号发生器控制，本发明实施例不作限定。

可选的，连续单频激光器1为光纤激光器，连续单频激光器1、数字调制型声光调制器10、模拟调制型声光调制器20以及光放大器30通过光纤依次连接。

本实施例中，连续单频激光器1选用60mW的分布式反馈(DFB)型窄线宽单频光纤激光器，线宽为15kHz，数字调制型声光调制器10和模拟调制型声光调制器20的移频量均为40MHz。通过光纤连接各光学器件，可以避免复杂的空间光路调节，简化光路结构，降低成本。

可选的，光纤为保偏光纤。可选的，光放大器为光纤放大器。

通过设置光纤为保偏光纤，提升激光的偏振特性。在输入光为30μw，脉宽(全底宽)500ns，重频10kHz下能达到170μj的单脉冲能量，通过将模拟调制型声光调制器20输出信号调制为类三角波脉冲，激光器的单脉冲能量从170μj提升至220μj以上，单脉冲能量至少提升了50μj，在激光多普勒测风雷达领域具有很高的使用价值。

图7所示为本发明实施例提供的一种激光器输出控制方法的流程示意图，该方法可以由上述实施例提供的任意一种激光器输出控制装置执行，具体包括如下步骤：

步骤S110、数字调制型声光调制器将连续单频激光器输出的连续激光调制为第一波形的脉冲激光。

步骤S120、模拟调制型声光调制器将第一波形的脉冲激光调制为第二波形的脉冲激光。

步骤S130、光放大器将第二波形的脉冲激光放大为第三波形的脉冲激光。

其中，第一波形和第三波形均为方波，第二波形为上升沿小于下降沿的类三角波。

在上述技术方案的基础上，可选的，本实施例提供的激光器输出控制方法还包括：

检测第三波形的形状；

若第三波形的上升沿和下降沿的强度比大于预设阈值，则利用模拟调制型声光调制器调整第二波形的上升沿和下降沿的比例；

循环以上步骤，直至第三波形的上升沿和下降沿的强度比小于或等于预设阈值。

可以理解的是，具体实施时，可以通过示波器实时观察第三波形的形状，当第三波形不是方波时，通过调节模拟调制型声光调制器的控制信号调整第二波形的形状，使第三波形形成方波。具体预设阈值可以根据实际情况选择，例如上升沿和下降沿的强度相差超过2％平均值时认为二者强度比大于预设阈值。

图8所示为本发明实施例提供的一种激光测风雷达的结构示意图。参考图8，本实施例提供的包括连续单频激光器100、分束器200、环行器300、合束器400、探测单元500、数据处理单元600以及上述实施例提供的任意一种激光器输出控制装置700；分束器200用于将连续单频激光器100出射的连续激光分束为第一光束和第二光束，第一光束入射至激光器输出控制装置700，第二光束入射至合束器400的第一输入端；激光器输出控制装置700用于将第一光束转换为脉冲激光，并传输至环行器300的第一端；环行器300用于通过第二端出射脉冲激光，并接收回波光束，环行器300的第三端将回波光束传输至合束器400的第二输入端；探测单元500用于接收第二光束和回波光束；数据处理单元600用于计算风速。

可以理解的是，具体实施时，环行器300的第二端还可以连接光学发射天线(图8中未示出)，用于出射脉冲激光和接收回波光束，当脉冲激光在空气中传播时，由于多普勒效应产生频移，回波光束和第二光束形成拍频，数据处理单元600根据拍频信号计算风速。

本发明实施例提供的激光测风雷达，采用上述实施例提供的输出控制装置，可以输出更大功率的方波脉冲，提高测风雷达的精度。

可选的，继续参考图8，连续单频激光器、分束器、环行器、合束器、以及探测单元均通过保偏光纤连接。通过光纤连接各光学器件，可以避免复杂的空间光路调节，简化光路结构，降低成本。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种激光器输出控制装置，其特征在于，用于使连续单频激光器输出的连续激光转换为脉冲激光，包括在所述连续单频激光器出射光路上依次排布的数字调制型声光调制器、模拟调制型声光调制器以及光放大器；

其中，所述第一波形和所述第三波形均为方波，所述第二波形为上升沿小于下降沿的类三角波；

还包括双通道信号发生器，所述双通道信号发生器的第一输出通道与所述数字调制型声光调制器连接，用于向所述数字调制型声光调制器输出数字控制信号；所述双通道信号发生器的第二输出通道与所述模拟调制型声光调制器连接，用于向所述模拟调制型声光调制器输出模拟控制信号，或者还包括两个单通道信号发生器，所述数字调制型声光调制器和所述模拟调制型声光调制器分别与一个单通道信号发生器连接，受相应的单通道信号发生器控制。

2.根据权利要求1所述的激光器输出控制装置，其特征在于，所述数字控制信号为TTL信号。

3.根据权利要求1所述的激光器输出控制装置，其特征在于，所述连续单频激光器为光纤激光器，所述连续单频激光器、所述数字调制型声光调制器、所述模拟调制型声光调制器以及所述光放大器通过光纤依次连接。

4.根据权利要求3所述的激光器输出控制装置，其特征在于，所述光纤为保偏光纤。

5.根据权利要求1所述的激光器输出控制装置，其特征在于，所述光放大器为光纤放大器。

6.一种激光器输出控制方法，其特征在于，利用权利要求1~5任一所述的激光器输出控制装置执行，包括：

7.根据权利要求6所述的激光器输出控制方法，其特征在于，还包括：

检测所述第三波形的形状；

8.一种激光测风雷达，其特征在于，包括连续单频激光器、分束器、环行器、合束器、探测单元、数据处理单元以及权利要求1~5任一所述的激光器输出控制装置；

所述探测单元用于接收所述第二光束和所述回波光束；

所述数据处理单元用于计算风速。

9.根据权利要求8所述的激光测风雷达，其特征在于，所述连续单频激光器、所述分束器、所述环行器、所述合束器、以及所述探测单元均通过保偏光纤连接。