CN111983628B - 一种基于单片集成线性调频双频dfb激光器的测速与测距系统 - Google Patents

一种基于单片集成线性调频双频dfb激光器的测速与测距系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于单片集成线性调频双频DFB激光器的测速与测距系统，包括注入锁定双频DFB激光器、线性调频微波信号产生器、光分束器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、光学收发天线、延迟光纤、光电探测器、混频器、低通滤波器和信号采集与处理模块；本发明使用单片集成线性调频双频DFB激光器作为光源，利用边带注入锁定技术实现两个激光器的相位相关，系统的测量精度等参数指标直接与注入的微波信号的质量相关，降低了系统对激光器光源的要求；信号提取部分由两个个光电探测器和一个混频器组成，降低了信号采集系统对采集带宽的要求。

Description

一种基于单片集成线性调频双频DFB激光器的测速与测距 系统
技术领域
本发明涉及激光测量技术领域，尤其涉及一种基于单片集成线性调频双频DFB激光器的测速与测距系统。
背景技术
调频连续波(FMCW)激光雷达是一种相干探测雷达，它将线性扫频激光作为发射信号，通过提取分析回波信号与发射信号干涉产生的拍频信号进行测量。相比于传统的直接探测雷达，它既可以测距也可以测速，并且具有测量精度高、空间分辨率好、响应速度快、不需要接触测量等优点，应用非常广泛。
线性调频激光雷达的光源主要包括外腔式激光器和电流调谐式半导体激光器两种。外腔式激光器通过改变腔长线性调频，调谐范围大、分辨率高，但是由分立器件构成，难以集成；电流调谐式半导体激光器通过注入三角波电流线性调频，操作简单方便、调谐速度快、体积小、易于集成，但是存在严重的调频非线性问题，会导致线性调频激光雷达的测量精度降低。
现有技术通常采用单频半导体激光器作为线性调频激光雷达的光源，通过注入三角波电流调制激光器输出频率，并采用软件算法或搭建光电锁相环对激光器的调频非线性进行校正，通过提取分析反射光与发射光拍频的相位或频率得到被测物体的距离或速度信息。这种测量方法的系统结构复杂，不易实现，难以维护，而且调频线性度一般，影响测量精度。
综上所述，现有基于线性调频激光器的测速和测距装置具有结构复杂、硬件要求高、难以维护、稳定性差、成本高等问题亟需解决。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种基于单片集成线性调频双频DFB激光器的测速与测距系统，具备结构简单、集成度高、体积小、硬件要求低、便于维护、测量精度高的优势。
本发明提供一种基于单片集成线性调频双频DFB激光器的测速与测距系统，包括单片集成线性调频双频DFB激光器、线性调频信号产生器、光分束器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、光学收发天线、延迟光纤、光电探测器、混频器、低通滤波器和信号采集与处理模块；单片集成线性调频双频DFB激光器包含射频口，用于产生线性调频双频激光信号，线性调频微波信号产生器用于产生线性调频微波信号通过射频口注入到单片集成双频DFB激光器中，光分束器的输入端和单片集成双频DFB激光器输出端连接，用于将双频激光信号分成第一光束信号和第二光束信号，所述第一光束信号从光分束器的第一输出端口输出作为发射光，所述第二光束信号从分束器的第二输出端口输出，第二光束信号作为参考光，掺铒光纤放大器的输入端与光分束器的第一输出端口连接，掺铒光纤放大器输出端口与光学环形器第一端口连接，掺铒光纤放大器主要用于放大发射光，光纤环形器的第一端口与掺铒光纤放大器的输出端口连接，用于接收放大的发射光信号；光纤环形器的第二端口与光学收发天线连接，用于将第一端口接收的发射光信号传入光学收发天线以及接收来自光学收发天线传递回来的返回光；光纤环形器的第三端口与第一光电探测器连接，用于将返回光传递至第一光电探测器进行探测，光学收发天线与光纤环形器第二端口连接，用于接收光纤环形器传来的发射光信号并发射向被测物体以及接收发射光信号经被测物体反射回的返回光，并将返回光传回光纤环形器，延迟光纤输入端连接光分束器的第二端口，输出端口连接第二光电探测器，延迟光纤主要是将参考光信号进行相应的延迟，光电探测器有包括第一光电探测器和第二光电探测器，第一光电探测器用于探测返回光信号，第二光电探测器用于探测参考光信号，两个光电探测器分别将返回光信号和参考光信号转化为两路线性调频微波信号，并将两路线性调频微波信号分别输入到混频器两个输入端，混频器包括第一输入端口和第二输入端口，第一输入端口连接第一光电探测器，第二输入端口连接第二光电探测器，输出端口连接低通滤波器，混频器作用是将两路光电探测器获得的线性调频微波信号进行混频，转化为多频率成分的微波信号，用于提取与目标速度和距离相关的信号，低通滤波器与混频器输出端连接，提取特定微波电信号后输入信号采集与处理模块，信号采集与处理模块对接收的特定微波信号进行频率分析，计算所述被测物体的运动速度和距离。
进一步改进在于：所述单片集成线性调频双频DFB激光器为单片光子集成的两段式DFB激光器，两个激光器之间设有电隔离区，两个激光器保持独立运转。单片光子集成的两段式DFB激光器，其制作过程采用两次金属有机化学气相沉积工艺完成。首先利用金属有机化学气相沉积工艺生长出激光器的一次外延基片，一次外延基片最高层为光栅层。然后利用全息曝光技术、电子束曝光技术或者纳米压印技术分别制作两个DFB激光器的光栅结构，并通过控制光栅结构参数来精确两个DFB激光器的输出频率，从而控制双频激光器的频率差。光栅制作完成后利用金属有机化学气相沉积工艺进行二次外延生长。二次外延生长完成后进行芯片制备的后续工艺，分别是脊波导工艺、隔离区工艺、开窗工艺、减薄和电极工艺，最后在激光器两端面镀增透膜，完成芯片制备。
进一步改进在于：所述单片集成线性调频双频激光器中其中一个DFB激光器与线性调频射频信号产生器连接，所述线性调频射频信号产生器向与连接的DFB激光器注入线性调频微波信号，线性调频微波信号的中心频率等于所述两段式DFB激光器之间频率差或所述两段式DFB激光器之间频率差的1/2、1/4，线性调频微波信号的带宽可以根据系统需要进行调节。线性调频微波信号的注入一方面是为了线性调制单片集成线性调频双频激光器，实现拍频信号的高线性度线性调频，另一方面是为了实现边带注入锁定，完成两个DFB激光器相位的同步，压窄拍频信号的线宽提高测试精度。
进一步改进在于：所述线性调频微波信号的中心频率等于所述两段式DFB激光器之间频率差的1/2n(n＝0,1,2)。
进一步改进在于：所述单片集成线性调频双频激光器中的两个DFB激光器共用同一个波导，两个DFB激光器输出信号频率不同，两个DFB激光器输出光束偏振方向相同。
进一步改进在于：所述单片集成线性调频双频激光器中的两个DFB激光器利用注入的线性调频微波信号实现边带注入锁定，从而实现两个DFB激光器的相位同步。
进一步改进在于：所述特定微波信号为频率成分与被测物体的速度和距离直接相关的交流电信号。
利用所述线性调频信号产生器产生线性调频微波信号对所述单片集成线性调频双频DFB激光器进行线性调制，单片集成线性调频双频DFB激光器将生成的激光束输入所述光分束器，得到第一光束信号和第二光束信号；第一光束信号从光分束器的第一输出端口输出作为发射光，发射光经所述掺铒光纤放大器放大，并从所述光纤环形器的第一端口输入，再经过光纤环形器的第二端口输出至所述光学收发天线，光学收发天线将发射光照射于被测物体上并接收发射光经被测物体反射回的返回光，返回光从所述光纤环形器的第二端口输入并从第三端口输出至所述第一光电探测器转化为线性调频微波信号；第二光束信号从所述光分束器的第二输出端口输出作为参考光，参考光经所述延迟光纤输出至所述第二光电探测器转化为线性调频微波信号；第一光电探测器连接至所述混频器第一输入端口，第二光电探测器连接至混频器第二输入端口，两路光电探测器获得的线性调频微波信号经混频器转换为多频率成分的微波信号后输入所述低通滤波器，将低通滤波器提取得到频率成分与被测物体的距离和速度直接相关的交流电信号输入至所述信号采集与处理模块，经数据计算和分析后，即可得到被测物体的距离和速度。
本发明的有益效果是：系统使用单片集成线性调频双频DFB激光器作为光源，通过向DFB激光器中注入线性调频微波信号结合边带注入锁定技术实现两个双频DFB激光器的相位锁定，调频线性度高，无需进行非线性补偿，降低了调频连续波测量系统对激光光源的要求；该系统测量精度高，环境稳定性好，抗干扰能力强，测量结果更准确；同时结构简单，集成度高，体积小，能耗低；信号提取由两个光电探测器、一个低通滤波器和一个混频器实现，对信号采集和处理模块的带宽要求低，易于实现，便于应用。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是本发明的单片集成线性调频双频DFB激光器的结构示意图。
图3是本发明的单片集成线性调频双频DFB激光器的光谱图。
图4是本发明的线性调频双频DFB激光器边带注入锁定过程原理图。
图5是本发明的速度和距离测量原理图。
图6是本发明所用线性调频信号的时频曲线图。
图7是本发明所用线性调频信号的频谱图。
图8是本发明测得的特定距离下混频器输出信号的快速傅里叶变换频谱图。
图9是本发明中测得不同光纤长度的真实值和测量值的对比值图。
图10是本发明中测得不同光纤长度的相对误差图。
其中：1-单片集成线性调频双频DFB激光器，2-线性调频信号产生器，3-光分束器，4-掺铒光纤放大器，5-光纤环形器，6-光学收发天线，7-被测物体，8-延迟光纤，9-1-第一光电探测器，9-2-第二光电探测器，10-混频器，11-低通滤波器，12-信号采集与处理模块。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步的详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。如图1所示，本实施例提供了一种基于单片集成线性调频双频DFB激光器1的测速与测距系统，包括：单片集成线性调频双频DFB激光器1、线性调频微波信号产生器2、光分束器3、掺铒光纤放大器4、光纤环形器5、光学收发天线6、延迟光纤8、光电探测器9-1和9-2、混频器10、低通滤波器11和信号采集与处理模块12；
单片集成线性调频双频DFB激光器1，用于产生线性调频双频激光信号，所述单片集成双频激光器1为单片光子集成的两段式DFB激光器，两个激光器之间设有电隔离区，保证两个DFB能够独立运转。单片光子集成的两段式DFB激光器，其制作过程采用两次金属有机化学气相沉积工艺完成。首先利用金属有机化学气相沉积工艺生长出激光器的一次外延基片，一次外延基片最高层为光栅层。然后利用全息曝光技术、电子束曝光技术或者纳米压印技术分别制作两个DFB激光器的光栅结构，并通过控制光栅结构参数来精确两个DFB激光器的输出频率，从而控制双频激光器的频率差。光栅制作完成后利用金属有机化学气相沉积工艺进行二次外延生长。二次外延生长完成后进行芯片制备的后续工艺，分别是脊波导工艺、隔离区工艺、开窗工艺、减薄和电极工艺，最后在激光器两端面镀增透膜，完成芯片制备；
单片集成线性调频双频DFB激光器中的两个激光器共用同一个波导，两个DFB激光器输出光束频率不同，两个DFB激光器输出光束偏振方向相同；且所述的单片集成双频DFB激光器中其中一个DFB与线性调频微波信号产生器2连接，所述的线性调频微波信号产生器2向其连接的一个DFB激光器注入线性调频微波信号，通过注入锁定实现两个DFB激光器的相位同步；线性调频微波信号的中心频率等于两个激光器频率差，或者中心频率等于两个DFB激光器频率差的1/2、1/4；同时该激光器内部自带隔离器，以确保反射光不会返回激光器造成激光器损伤；
线性调频微波信号产生器2，产生线性调频微波信号，并将线性调频微波信号注入到其连接的DFB激光器内；线性调频微波信号的中心频率等于两个激光器频率差，或者中心频率等于两个DFB激光器频率差的1/2、1/4；
光分束器3，其输入端和单片集成线性调频双频DFB激光器1输出端连接，用于将双频激光信号分成第一光束信号和第二光束信号，所述第一光束信号从光分束器3的第一输出端口输出作为发射光，所述第二光束信号从光分束器3的第二输出端口输出，第二光束信号作为参考光；
掺铒光纤放大器4，其输入端与光分束器3的第一输出端口连接，掺铒光纤放大器4输出端口与光学环形器5第一端口连接，掺铒光纤放大器4主要用于放大发射光；
光纤环形器5，光纤环形器5的第一端口a与光分束器3的第一输出端口连接，用于接收经掺铒光纤放大器4放大的发射信号；光纤环形器5的第二端口b与光学收发天线6连接，用于将第一端口接收的发射信号传入光学收发天线6以及接收来自光学收发天线6传递回来的返回光；光纤环形器5的第三端口c与光电探测器9-1连接，用于将返回光传递至光电探测器9-1；
光学收发天线6，与光纤环形器5第二端口b连接，用于接收光纤环形器5传来的发射信号并发射向被测物体7以及接收发射信号经被测物体7反射回的返回光，并将返回光传回光纤环形器3，被测物体7沿光线方向匀速运动；光纤环形器5第二端口出射光束的出射方向和光学收发天线6的入射方向在同一直线，光学收发天线6的出射方向与被测物体7在同一直线上，且被测物体7面对光学收发天线6的一侧装有反射镜；
延迟光纤8，延迟光纤8输入端连接光分束器3的第二端口，延迟光纤8输出端口连接光电探测器9-2，延迟光纤8主要是将参考光信号进行相应的延迟；
光电探测器9-1，与纤环形器5的c端口连接，将被测物体7反射回的返回光信号转化为线性调频微波信号；
光电探测器9-2，与延迟光纤8输出端口连接，将参考光信号转化为线性调频微波信号；
混频器10，将光探测器9-1输出的返回光的线性调频微波信号和光探测器9-2输出的参考光的线性调频微波信号进行混频，提取出与被测物体7的距离和速度信息相关的信号；
混频器10输出信号进入低通滤波器11，提取频率成分与被测物体7速度和距离相关的电信号后输入信号采集与处理模块12；从所述低通滤波器11提取得到的电信号进入所述信号采集与处理模块12后，对所述交流电信号进行频率分析，可以计算得到所述被测物体7的速度和距离信息。
如图2所示，单片集成线性调频双频DFB激光器为单片光子集成的两段式DFB激光器。该激光器两段中一段激光器DFB1输出激光的波长为λ1＝1548.36nm(f1)，另一段激光器DFB2输出激光的波长为λ2＝1548.49nm(f2)，该激光器的输出光谱如图3所示，且两段激光器输出的光束偏振方向相同；用热电冷却器控制集成在一起的两个DFB激光器工作在25摄氏度；分别给DFB1、DFB2加直流偏置I1、I2(I1＝70mA、I2＝50mA)，同时用线性调频微波信号产生器2(即射频信号源)给其中一个DFB激光器注入中心频率f0＝15.5GHz，调制带宽320MHz的线性调频微波信号RF；如图4所示，线性调频微波信号的中心频率fRF等于DFB1、DFB2两个激光器频率差(f1-f2)，通过调制在频率两侧f2产生两个对称调制边带，其中一个边带落在f1上，通过边带注入锁定技术实现的DFB1(f1)和DFB2(f2)相位锁定，并把位于f1处的边带进行放大；DFB1和DFB2输出激光的拍频信号经过光电探测器9-1和光电探测器9-2探测后为线性调频微波信号；调整光学收发天线6的入射方向在同一直线上，并使光学收发天线6的出射方向对准被测物体7，尽可能保证光束全部通过光学收发天线6，照射在被测物体7上；
基于单片集成线性调频双频DFB激光器1的测速与测距系统的工作原理如图5所示，返回光信号和参考光信号经过分别经过光电探测器9-1和光电探测器9-2探测后转换为线性调频微波信号，信号的时频曲线如如图5(a)所示；线性调频微波信号的频率随时间周期性上下线性变化，上升时间与下降时间相同，信号频率的变化范围为带宽B，频率中心值为f0。如图5(b)所示，发射光信号从光收发天线6照射到被测目标7再返回接收端所用的传输延时记为τ。由于信号频率随时间线性变化和被测目标相对位移产生的多普勒效应，接收到的回波信号与发射信号的频率之间产生了频率差Δf。根据图5(c)，频率差由因距离延时τ引入的频率变化量fR和多普勒频移fD构成，在频率上升沿产生的频率差Δf1和频率下降沿产生的频率差Δf2与fR之间各相差fD。由距离引入的差频量fR和多普勒频移fD就可以通过相干解调的方式由Δf1和Δf2计算得出：
Figure BDA0002653257600000111
式中γ是线性调频信号中频率的变化率。根据求得的多普勒频移fD和时延τ即可求出目标的距离信息R和速度信息υ：
Figure BDA0002653257600000112
本实施例中，光收发天线6与被测物体7之间的距离用G652.D单模光纤代替，被测物体7保持静止。利用实施例所述系统成功测试了单模光纤的长度。如图6所示，本实施例中注入激光器中的线性调频微波信号中心频率为15.5GHz，调制带宽为320MHz。线性调频微波信号的频谱如图7所示。
如图8所示，是本实施例中光电探测器9-1与光电探测器9-2输出电信号进行混频后的信号的快速傅里叶频谱，频率值正比于光纤长度。如图9所示，本实施例测得的光纤长度与真实值的对比和拟合曲线；如图10所示，本实施例测得的不同光纤长度的相对误差，最大误差为2.25％。
本实施例使用单片集成的线性调频双频DFB激光器作为光源，通过向其中一个DFB激光器注入线性调频微波信号，利用边带注入锁定技术实现两个激光器的相位锁定，避免了传统线性调频激光器线性度不高，需要复杂控制的问题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于单片集成线性调频双频DFB激光器的测速与测距系统，其特征在于：包括单片集成线性调频双频DFB激光器(1)、线性调频信号产生器(2)、光分束器(3)、掺铒光纤放大器(4)、光纤环形器(5)、光学收发天线(6)、被测物体(7)、延迟光纤(8)、光电探测器、混频器(10)、低通滤波器(11)和信号采集与处理模块(12)；单片集成线性调频双频DFB激光器(1)包含射频口，用于产生线性调频双频激光信号，线性调频微波信号产生器(2)用于产生线性调频微波信号通过射频口注入到单片集成双频DFB激光器(1)中，光分束器(3)的输入端和单片集成双频DFB激光器(1)输出端连接，用于将双频激光信号分成第一光束信号和第二光束信号，所述第一光束信号从光分束器(3)的第一输出端口输出作为发射光，所述第二光束信号从光分束器(3)的第二输出端口输出，第二光束信号作为参考光，掺铒光纤放大器(4)的输入端与光分束器(3)的第一输出端口连接，掺铒光纤放大器(4)输出端口与光学环形器(5)第一端口连接，掺铒光纤放大器(4)主要用于放大发射光，光纤环形器(5)的第一端口与掺铒光纤放大器(4)的输出端口连接，用于接收放大的发射光信号；光纤环形器(5)的第二端口与光学收发天线(6)连接，用于将第一端口接收的发射光信号传入光学收发天线(6)以及接收来自光学收发天线(6)传递回来的返回光；光电探测器有包括第一光电探测器(9-1)和第二光电探测器(9-2)，第一光电探测器(9-1)用于探测返回光信号，第二光电探测器(9-2)用于探测参考光信号，两个光电探测器分别将返回光信号和参考光信号转化为两路线性调频微波信号，并将两路线性调频微波信号分别输入到混频器(10)两个输入端，光纤环形器(5)的第三端口与第一光电探测器(9-1)连接，用于将返回光传递至第一光电探测器(9-1)进行探测，光学收发天线(6)与光纤环形器(5)第二端口连接，用于接收光纤环形器(5)传来的发射光信号并发射向被测物体(7)以及接收发射光信号经被测物体(7)反射回的返回光，并将返回光传回光纤环形器(5)，延迟光纤(8)输入端连接光分束器(3)的第二端口，输出端口连接第二光电探测器(9-2)，延迟光纤(8)将参考光信号进行相应的延迟，混频器(10)包括第一输入端口和第二输入端口，第一输入端口连接第一光电探测器(9-1)，第二输入端口连接第二光电探测器(9-2)，输出端口连接低通滤波器(11)，混频器(10)将两路光电探测器获得的线性调频微波信号进行混频，转化为多频率成分的微波信号，用于提取与目标速度和距离相关的信号，低通滤波器(11)与混频器(10)输出端连接，提取特定微波电信号后输入信号采集与处理模块(12)，信号采集与处理模块(12)对接收的特定微波信号进行频率分析，计算所述被测物体(7)的运动速度和距离。
2.如权利要求1所述的一种基于单片集成线性调频双频DFB激光器的测速与测距系统，其特征在于：所述单片集成线性调频双频DFB激光器(1)为单片光子集成的两段式DFB激光器，两个激光器之间设有电隔离区，两个激光器保持独立运转。
3.如权利要求2所述的一种基于单片集成线性调频双频DFB激光器的测速与测距系统，其特征在于：所述单片集成线性调频双频激光器(1)中其中一个DFB激光器与线性调频射频信号产生器(2)连接，所述线性调频射频信号产生器(2)向与连接的DFB激光器注入线性调频微波信号。
4.如权利要求3所述的一种基于单片集成线性调频双频DFB激光器的测速与测距系统，其特征在于：所述线性调频微波信号的中心频率等于所述两段式DFB激光器之间频率差的1/2n(n＝0,1,2)。
5.如权利要求2所述的一种基于单片集成线性调频双频DFB激光器的测速与测距系统，其特征在于：所述单片集成线性调频双频激光器(1)中的两个DFB激光器共用同一个波导，两个DFB激光器输出信号频率不同，两个DFB激光器输出光束偏振方向相同。
6.如权利要求2所述的一种基于单片集成线性调频双频DFB激光器的测速与测距系统，其特征在于：所述单片集成线性调频双频激光器(1)中的两个DFB激光器利用注入的线性调频微波信号实现边带注入锁定，从而实现两个DFB激光器的相位同步。
7.如权利要求1所述的一种基于单片集成线性调频双频DFB激光器的测速与测距系统，其特征在于：所述特定微波信号为频率成分与被测物体的速度和距离直接相关的交流电信号。
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