CN111796297B - 基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置 - Google Patents

基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置，包括：泵浦源产生的激光通过腔镜，将形成的多纵模线性调频激光传输到光分路器，在腔镜内还设有铒玻璃和电光晶体，由泵浦源、铒玻璃、和腔镜共同构成了铒玻璃激光器。所述光分路器的第一输出端连接光环行器第一端口，光环行器的第二端口依次连接透射光栅和发射/接收光学望远镜，光分路器的第二输出端与光环行器第三端口共同输出至耦合器的输入端，耦合器的输出端依次连接解波分复用器、接收混频模块和信号处理模块。本发明能够对多纵模激光进行简单稳定的线性调频，大幅度提高了测量的精度和分辨率，实现了多通道并行调频连续波激光测距测速。

Description

基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置
技术领域
本发明涉及激光测距装置，具体讲是基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置。
背景技术
激光雷达技术具有成像分辨率高、自动化程度高、非接触、易集成等优势，可以精确快速地获取目标的三维空间信息，已经广泛应用于自动驾驶技术，是自动驾驶汽车持续发展的关键组件。
目前市场上大多数的激光雷达都使用被称为飞行时间(TOF)的第一代脉冲技术。该方法通过激光系统向目标发射一个激光脉冲，测量脉冲的往返时间来实现目标距离探测。调频连续波(FMCW)激光雷达是基于相干激光测距原理，该技术使激光雷达的发射激光频率随时间线性变化，通过激光干涉技术获取激光发射信号和回波信号所形成的差频信号，从中提取目标的距离信息。调频连续波技术使激光雷达的距离分辨率大大增强，并且可以利用多普勒效应直接进行速度检测，除此之外，调频连续波激光雷达还可以有效阻止背景辐射或其他雷达的干扰。
为了提高雷达采样率，现代激光雷达系统采用了激光器阵列来代替传统的机械式扫描(Schwarz B.Mapping the world in 3D[J].Nature Photonics,2010,4(7):429-430)，该方法只有在基于多帧数据进行计算复杂且容易出错的分析算法后，才能获得物体的运动信息。此外，该方法所需的激光器数量大，成本高，不适合量产。最近，洛桑联邦理工学院的研究人员提出将单个调频连续波泵浦激光耦合到集成氮化硅微腔中产生孤子微梳，泵浦激光的频率调谐同步转移至所有频率梳的梳齿，从而实现多信道并行的相干激光雷达阵列(Riemensberger J,Lukashchuk A,Karpov M,et al.Massively parallel coherentlaser ranging using a soliton microcomb[J].Nature,2020,581(7807):164-170)。该方法的劣势在于装置复杂度高、光纤与氮化硅微腔的耦合效率低、器件成本高。因此，并行调频连续波激光测距技术具有重要的研究和应用价值。
发明内容
本发明提供了一种基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置，可以对多纵模激光进行简单稳定的线性调频，并提高测量的精度和分辨率，以及实现多通道并行调频连续波激光测距测速。
本发明基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置，包括：泵浦源产生的激光通过腔镜，将形成的多纵模线性调频激光传输到光分路器，在腔镜内还设有铒玻璃和电光晶体，由泵浦源、铒玻璃、和腔镜共同构成了铒玻璃激光器。所述光分路器的第一输出端连接光环行器第一端口，光环行器的第二端口依次连接透射光栅和发射/接收光学望远镜，光分路器的第二输出端与光环行器第三端口共同输出至耦合器的输入端，耦合器的输出端依次连接解波分复用器、接收混频模块和信号处理模块。
本发明通过电光效应对多纵模窄线宽激光进行调制，实现了简单稳定的线性调频。如果使用电流直接注入半导体激光器的方式，由于其调谐机理以及内部结构等因素，绝大多数半导体激光器均存在严重的调频非线性现象，会影响测量精度和分辨率。而使用本发明的电光晶体方式进行调频则无需考虑调频过程中的非线性影响，只需控制电光晶体的外加电压随时间线性变化，就可以实现稳定的激光线性调频。
进一步的，所述的泵浦源为发射谱与铒玻璃的吸收谱相匹配的半导体激光器，也可以是其他类型的激光发生器。
进一步的，所述腔镜至少包括一个后腔镜和一个输出镜，其中后腔镜用于对激光高反射和增透，输出镜用于对激光部分透过。
进一步的，所述泵浦源发射的激光通过光纤耦合后，经耦合透镜聚焦后入射到铒玻璃。
进一步的，所述透射光栅用于对激光进行频谱分离，透射光栅的透射频率间隔与所述多纵模线性调频激光的纵模间隔相匹配；所述发射/接收光学望远镜的发射通道与透射光栅相连接，接收通道与所述的解波分复用器相连接；所述的解波分复用器用于对回波光束进行光谱分离，解波分复用器的通道间距与所述多纵模线性调频激光的纵模间隔相匹配。
进一步的，在所述的接收混频模块中按信号传递方向设有光电探测器、信号放大器、混频器和低通滤波器，用于对回波光束进行接收和处理，并得到包含目标信息的差频信号。其中，光电探测器将调频光信号转换为电信号；信号放大器对光电探测器输出的调频信号进行放大；混频器将放大器输出的信号与本振信号混频；低通滤波器将差频信号中的高频分量滤除，得到包含目标距离的差频信号。最后通过所述的信号处理模块对差频信号进行频谱分析，进而获得目标距离，该过程通常在计算机上进行。
可选的，所述的电光晶体为LiNbO3、LiTaO3、KDP、KTP或RTP的晶体。通过对电光晶体两端施加随时间线性变化的电压，来改变激光通过电光晶体时的折射率，从而实现对每个纵模激光的线性调频。
优选的，所述的铒玻璃是掺杂Er3+的磷酸盐激光玻璃，是产生激光输出的固体激光工作物质。
本发明中所涉及的各部件，均是现有部件，本发明的创新点是对这些现有部件的组合应用的连接结构。
本发明的基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置，使用了掺铒激光玻璃作为增益介质，增加了激光辐射的光谱宽度和纵模数量，每个纵模都能够作为独立的激光雷达信道，大幅度提高了激光雷达工作效率。并且泵浦源的激光发射功率高，作为激光雷达光源无需再进行光放大，有效降低了系统的复杂程度和价格，能够广泛应用于自动驾驶车辆。
以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
附图说明
图1为本发明基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置的结构示意图。
图2为图1的激光测距原理图。
附图标记：泵浦源1，耦合光纤2，激光3，耦合透镜4，后腔镜5，铒玻璃6，电光晶体7，输出镜8，多纵模线性调频激光9，光分束器10，光环形器11，透射光栅12，发射/接收光学望远镜13，回波光束14，耦合器15，解波分复用器16，接收混频模块17，信号处理模块18，探测光束时频曲线19，回波光束时频曲线20。
具体实施方式
如图1所示本发明基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置，泵浦源1产生的激光3通过光纤2耦合后，经耦合透镜4聚焦后入射到腔镜，所述腔镜至少包括一个后腔镜5和一个输出镜8，其中后腔镜5用于对激光3高反射和增透，输出镜8用于对激光3部分透过。在腔镜内还设有铒玻璃6和电光晶体7。由泵浦源1、铒玻璃6、和腔镜共同构成了铒玻璃激光器。所述的电光晶体7为LiNbO3，LiTaO3，KDP，KTP或RTP的晶体。铒玻璃6是掺杂Er3+的磷酸盐激光玻璃，是产生激光输出的固体激光工作物质。所述泵浦源1为发射谱与铒玻璃6的吸收谱相匹配的半导体激光器。激光3经过腔镜、铒玻璃6和电光晶体7后，将形成的多纵模线性调频激光9传输到光分路器10。通过对电光晶体7两端施加随时间线性变化的电压，来改变激光3通过电光晶体7时的折射率，从而实现对每个纵模激光的线性调频。
所述光分路器10的第一输出端连接光环行器11第一端口，光环行器11的第二端口依次连接透射光栅12和发射/接收光学望远镜13，光分路器10的第二输出端与光环行器11第三端口共同输出至耦合器15的输入端，耦合器15的输出端依次连接解波分复用器16，接收混频模块17和信号处理模块18。
所述透射光栅12用于对激光3进行频谱分离，透射光栅12的透射频率间隔与所述多纵模线性调频激光9的纵模间隔相匹配。所述发射/接收光学望远镜13的发射通道与透射光栅12相连接，接收通道与所述的解波分复用器16相连接。所述的解波分复用器16用于对回波光束14进行光谱分离，解波分复用器16的通道间距与所述多纵模线性调频激光9的纵模间隔相匹配。接收混频模块17中按信号传递方向设有光电探测器，信号放大器，混频器和低通滤波器，用于对回波光束14进行接收和处理，并得到包含目标信息的差频信号。所述光电探测器将调频光信号转换为电信号；所述信号放大器对光电探测器输出的调频信号进行放大；所述混频器将放大器输出的信号与本振信号混频；所述低通滤波器将差频信号中的高频分量滤除，得到包含目标距离的差频信号。最后通过所述的信号处理模块18对差频信号进行频谱分析，进而获得目标距离。
实施例：
泵浦源1采用能够连续输出稳定的中心波长为980nm泵浦光的半导体激光器，铒玻璃6为美国Kigre公司型号为QE-7S的掺铒磷酸盐激光玻璃，尺寸为3mm×3mm×2mm，折射率为1.54，输出的激光3的中心波长为1535nm，光谱人眼安全范围为20nm。选择在铒玻璃6朝向泵浦源1的端面上镀一层光学薄膜作为后腔镜5使用，来对泵浦光3增透，对激光3高反。输出镜8选择对激光3的透过率为10％的凹面镜，尺寸为Φ＝5mm。向腔镜内放入LiNbO3晶体用作电光晶体7，用于线性调频。LiNbO3晶体尺寸为1mm×3mm×4mm，折射率为2.15。泵浦源1所发射的激光3通过光纤2耦合及耦合透镜4聚焦后入射到铒玻璃6。
由泵浦源、铒玻璃、和腔镜共同构成了铒玻璃激光器。对铒玻璃6注入泵浦功率，激光输出在阈值附近达到了较高的稳定性，辐射线宽在人眼安全范围内达到20nm。本实施例中所示的铒玻璃激光器为非均匀加宽激光器，产生多纵模振荡，当激光谐振腔光程长度L＝12mm时，其纵模间隔为12.5GHz，光谱线宽内纵模个数为200。通过对LiNbO3晶体的电光晶体7两端施加电压，来改变激光通过晶体时的折射率，从而实现对输出激光频率线性调制的目的。
从铒玻璃激光器输出的多纵模线性调频激光9由光分束器10分为两路，一路作为本振光，一路作为探测光。探测光束从光环形器11第一端口进入、从光环形器11的第二端口输出，再通过透射光栅12进行分光，分为多个独立的线性调频激光测距通道，由发射/接收光学望远镜13照射到探测目标。目标反射的回波光束14再由发射/接收光学望远镜13接收，通过光环形器11第三端口与本振光一同进入耦合器15。所选用的解波分复用器16的通道间距为12.5GHz，对每个纵模回波进行精确的光谱分离。各个纵模回波进入接收探测模块17，得到本振信号与回波信号的差频信号，最后进入信号处理模块18，计算出探测系统与目标之间的距离。
图2示出了本发明的测距原理。由于探测光信号为线性调频信号，其瞬时频率与时间成线性关系，如图2中的探测光束时频曲线19所示。图2中f0为调频初始频率，△f为调频带宽。当回波延时tR存在时，回波信号与本振信号间将产生正比于回波延时的瞬时频率差fR，如回波光束时频曲线20所示。最终，待测目标距离R可以通过本振信号与回波信号的差拍频率fR来确定：
Figure BDA0002536920990000051
上式中，γ是激光频率调制的斜率，c是自由空间中的光速。因此，调频连续波激光测距系统只要通过现有的方式测得差拍频率fR，就可以解算出测量的目标距离。

Claims (8)

1.基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置，其特征包括：泵浦源(1)产生的激光(3)通过腔镜，将形成的多纵模线性调频激光(9)传输到光分路器(10)，在腔镜内还设有铒玻璃(6)和电光晶体(7)，所述光分路器(10)的第一输出端连接光环行器(11)第一端口，光环行器(11)的第二端口依次连接透射光栅(12)和发射/接收光学望远镜(13)，光分路器(10)的第二输出端与光环行器(11)第三端口共同输出至耦合器(15)的输入端，耦合器(15)的输出端依次连接解波分复用器(16)、接收混频模块(17)和信号处理模块(18)。
2.如权利要求1所述的基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置，其特征为：所述的泵浦源(1)为发射谱与铒玻璃(6)的吸收谱相匹配的半导体激光器。
3.如权利要求1所述的基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置，其特征为：所述腔镜至少包括一个后腔镜(5)和一个输出镜(8)，其中后腔镜(5)用于对激光(3)高反射和增透，输出镜(8)用于对激光(3)部分透过。
4.如权利要求1所述的基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置，其特征为：所述泵浦源(1)发射的激光(3)通过光纤(2)耦合后，经耦合透镜(4)聚焦后入射到铒玻璃(6)。
5.如权利要求1所述的基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置，其特征为：所述透射光栅(12)用于对激光(3)进行频谱分离，透射光栅(12)的透射频率间隔与所述多纵模线性调频激光(9)的纵模间隔相匹配；所述发射/接收光学望远镜(13)的发射通道与透射光栅(12)相连接，接收通道与所述的解波分复用器(16)相连接；所述的解波分复用器(16)用于对回波光束(14)进行光谱分离，解波分复用器(16)的通道间距与所述多纵模线性调频激光(9)的纵模间隔相匹配。
6.如权利要求1所述的基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置，其特征为：在所述的接收混频模块(17)中按信号传递方向设有光电探测器、信号放大器、混频器和低通滤波器，用于对回波光束(14)进行接收和处理，并得到包含目标信息的差频信号。
7.如权利要求1至6之一所述的基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置，其特征为：所述的电光晶体(7)为LiNbO3、LiTaO3、KDP、KTP或RTP的晶体。
8.如权利要求1至6之一所述的基于铒玻璃激光器的并行调频连续波激光测距装置，其特征为：所述的铒玻璃(6)是掺杂Er3+的磷酸盐激光玻璃。
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Title
Distance measurement using frequency-modulated continuous-wave ladar with calibration by a femtosecond frequency comb;Yang Liu 等;《Proc. of SPIE》;20171231;第10621卷;1062102-1至1062102-9 *
频率调制连续波激光雷达技术基础与研究进展;卢炤宇 等;《光电工程》;20190731;第46卷(第7期);190038-1至190038-14 *

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