CN113406603A - 一种用于相干激光雷达的激光器模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于相干激光雷达的激光器模块。本发明提供的用于相干激光雷达的激光器模块，只需要一个连续激光器作为种子光源和一个激光脉冲调制模块，就可以同时输出多路本振光和信号光，从而实现多光束、多角度的目标探测。采用本发明的方案，不仅增加了激光器整体结构的紧凑型，也降低了功耗和成本。多路信号光的输入光源均来自同一光源，从而有效保证输出激光各项参数测一致性。单种子源模块带来的是单一脉冲时序基准，而唯一的时序基准可以用来精确控制后续光路的出光延时，极大改善了激光雷达系统的收发和测量精度。

Description

一种用于相干激光雷达的激光器模块

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种用于相干激光雷达的激光器模块。

背景技术

现有用于激光雷达的窄线宽纳秒脉冲光纤激光器通常都是1X1模块，即一个种子源模块一个光学放大器模块。本发明的发明人经研究发现：由于单个光学放大器模块搭载到雷达发射器上所测量的范围有限，而多个1X1模块放置到一个测量系统中，不仅成本很高，而且由于各模块时序基准不一样，很难精确调制各光学放大器模块激光脉冲延迟，因此很难实现大范围、高精度测量。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于相干激光雷达的激光器模块，包括：连续激光器、激光脉冲调制模块、第一分束器、第二分束器和第三分束器，其中：

连续激光器用于输出预定波长的连续的激光信号；

第一分束器用于将连续激光器输出的激光信号分为两路，一路作为本振光，输出到第二分束器，另一路作为信号光输出到激光脉冲调制模块；

所述第二分束器用于将第一分束器输出的本振光分为N路输出；其中，N为大于1的正整数；

所述激光脉冲调制模块用于将输入的连续的激光信号调制为脉冲光信号输出；

所述第三分束器用于将激光脉冲调制模块输入的脉冲光信号分为N路输出；其中，N为大于1的正整数。

进一步的，还包括N个光学放大器模块，其中，N为大于1的正整数；所述N个光学放大器模块与第三分束器输出的N路脉冲光信号一一对应设置，每个光学放大器模块用于放大对应的一路脉冲光信号；多个光学放大器模块输出的脉冲激光朝向指定的空间方向。

进一步的，每个光学放大器模块输出的激光性能参数相同，且各光学放大器模块输出的激光脉冲相对延时可调。

进一步的，所述各光学放大器模块输出的激光脉冲相对延时可调，包括：通过调节每个光学放大器模块中的光纤长度和电流开断时间，来实现每个光学放大器模块输出光脉冲的预定延时。

进一步的，所述连续激光器的发射波长为0.9微米~2.5微米；所述连续激光器输出的激光光谱线宽小于15kHz；所述激光脉冲调制模块输出的脉冲宽度为0.1纳秒-2000纳秒。

进一步的，每个所述光学放大器模块输出的激光光谱线宽小于10MHz，每个光学放大器模块输出的激光单脉冲能量为0.1微焦~2000微焦。

进一步的，所述连续激光器为光纤激光器；所述光学放大器模块为光纤器件；所述第一分束器、第二分束器和第三分束器均为光纤分束器；所述连续激光器、激光脉冲调制模块、光学放大器模块、第一分束器、第二分束器和第三分束器之间均采用光纤连接。

进一步的，激光脉冲调制模块为声光调制器、电光调制器或磁光调制器，所述声光调制器还用于将输入的激光信号产生预设的频移。

进一步的，所述第一分束器、第二分束器和第三分束器的分束比为预设的比例；所述第二分束器的分束比与第三分束器的分束比相同。

进一步的，还包括N个光纤环形器，其中，

N个光纤环形器与用于相干激光雷达的激光器模块输出的N个脉冲光信号对应设置，每个光纤环形器的输入端与上述用于相干激光雷达的激光器模块输出的一路脉冲光信号输出端连接；其中，N为大于1的正整数。

本发明提供的用于相干激光雷达的激光器模块，只需要一个连续激光器作为种子光源和一个激光脉冲调制模块，就可以同时输出多路本振光和信号光，从而实现多光束、多角度的目标探测。采用本发明的方案，不仅增加了激光器整体结构的紧凑型，也降低了功耗和成本。多路信号光的输入光源均来自同一光源，从而有效保证输出激光各项参数测一致性。单种子源模块带来的是单一脉冲时序基准，而唯一的时序基准可以用来精确控制后续光路的出光延时，极大改善了激光雷达系统的收发和测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于相干激光雷达的激光器模块的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种用于相干激光雷达的激光器模块的又一结构框图；

图3为本发明实施例提供的一种用于相干激光雷达的激光器模块的另一结构框图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

实施例：

图1为本发明实施例提供的一种用于相干激光雷达的激光器模块的结构框图。如图1所示，一种用于相干激光雷达的激光器模块，包括：连续激光器1、激光脉冲调制模块4、第一分束器2、第二分束器3和第三分束器5，其中：

连续激光器1用于输出预定波长的连续的激光信号。

第一分束器2用于将连续激光器1输出的激光信号分为两路，一路作为本振光，输出到第二分束器3，另一路作为信号光输出到激光脉冲调制模块4；

所述第二分束器3用于将第一分束器2输出的本振光分为N路输出；其中，N为大于1的正整数；

所述激光脉冲调制模块4用于将输入的连续的激光信号调制为脉冲光信号输出；

所述第三分束器5用于将激光脉冲调制模块4输入的脉冲光信号分为N路输出；其中，N为大于1的正整数。

连续激光器1也称为种子激光器、种子光源，能够提供预定波长的连续的激光信号。

可选的，激光脉冲调制模块4为声光调制器、电光调制器或磁光调制器，所述声光调制器还用于将输入的激光信号产生预设的频移。

声光调制器（AOM）模块具有特定频移量，本发明中以频移量为80MHz为例。激光器的主控电路板通过控制输入声光调制器模块的射频信号来控制声光的开关及开通门限宽度从而将连续激光截断成一定宽度（如几纳秒）的脉冲激光，此时开启时间将被记录为时序基准。

当然，电光调制器或磁光调制器及机械调制器等均可将连续的激光信号转化为脉冲光信号，只要能实现将输入的连续的激光信号调制为脉冲光信号输出功能，均适用于本发明。

所述第一分束器2、第二分束器3和第三分束器5的分束比为预设的比例；所述第二分束器3的分束比与第三分束器5的分束比相同。由于第二分束器3输出N路激光要与第三分束器5输出的N路激光进行相干探测，因此，所述第二分束器3的分束比与第三分束器5的分束比相同，且在具体实施中，要保证每组相干探测信号一一对应，从而保证探测结构的精确度。

所述连续激光器1为光纤激光器；所述光学放大器模块6为光纤器件；所述第一分束器2、第二分束器3和第三分束器5均为光纤分束器；所述连续激光器1、激光脉冲调制模块4、光学放大器模块6、第一分束器2、第二分束器3和第三分束器5之间均采用光纤连接。

在一个实施例中，所述连续激光器1的发射波长为0.9微米~2.5微米；所述连续激光器1输出的激光光谱线宽小于15kHz；所述激光脉冲调制模块4输出的脉冲宽度为0.1纳秒-2000纳秒。

在一个实施例中，每个所述光学放大器模块6输出的激光光谱线宽是傅里叶变换的极限，说明本发明技术可以达到非常好的光束质量。每个光学放大器模块6输出的激光单脉冲能量为0.1微焦~2000微焦。

在一个应用场景中（如大气探测），每个光学放大器模块6输出的激光单脉冲能量为0.1微焦~150微焦。

在一个优选的实施例中，连续激光器1产生的波长优选为光通信C-Band 波段（1520nm至1570nm），以及L-Band 波段（即1570nm至1610nm）。在C-Band波段和L-Band波段，除了大气分子瑞利信号的影响可忽略外，由于光通信器件的高速发展和成熟，光器件稳定可靠，并且该波段的人眼安全系数高，可在城市、机场、气象站等人口密集的场地运行，可实现小型化，便捷式、人眼安全探测。而现有技术中，大气测量广泛采用的近红外波短波波段无法实现全光纤集成，系统庞大，不紧凑。

本发明提供的用于相干激光雷达的激光器模块，只需要一个连续激光器1作为种子光源和一个激光脉冲调制模块4，就可以同时输出多路本振光和信号光，从而实现多光束、多角度的目标探测。采用本发明的方案，不仅增加了激光器整体结构的紧凑型，也降低了功耗和成本。多路信号光的输入光源均来自同一光源，从而有效保证输出激光各项参数测一致性。单种子源模块带来的是单一脉冲时序基准，而唯一的时序基准可以用来精确控制后续光路的出光延时，极大改善了激光雷达系统的收发和测量精度。

在一个实施例中，如图2所示，还包括N个光学放大器模块6，其中，N为大于1的正整数；所述N个光学放大器模块6与第三分束器5输出的N路脉冲光信号一一对应设置，每个光学放大器模块6用于放大对应的一路脉冲光信号；多个光学放大器模块6输出的脉冲激光朝向指定的空间方向。

图2中，以声光调制器（AOM）作为激光脉冲调制模块4的示例。

连续激光器1为光纤激光器时，所述光学放大器模块6为与激光波长对应的稀土元素掺杂的光纤放大器模块。例如，光学放大器模块6为掺杂铒或者同时掺杂铒镱稀土元素的光纤放大器模块。

发明中以中心波长为1548nm，光谱线宽小于15kHz，相对强度噪声小于-140dB/Hz为例。

示例的，每个光学放大器模块6输出的激光性能参数相同，且各光学放大器模块6输出的激光脉冲相对延时可调。

示例的，所述各光学放大器模块6输出的激光脉冲相对延时可调，包括：通过调节每个光学放大器模块6中的光纤长度和电流开断时间，来实现每个光学放大器模块6输出光脉冲的预定延时。光纤长度越长，延时时间越长。

具体的，每个光学放大器模块6都包括一段光纤；分别设置每个光学放大器模块6中的光纤长度为预设的长度，精确控制各光学放大器模块6的泵浦电流按照预设的时间开启，设置每个光学放大器模块6的电流按照预设的时间开断，达到精确控制各光学放大器模块6脉冲激光的输出时间。

示例的，所述的第二分束器3和第三分束器5，是一种特制的全光纤无源器件，从一根输入端光纤输入激光，将被分成多份光从不同光纤输出，每一份光占预定的功率比例，本发明中以2和N份为例。

示例的所述的声光调制器模块，是一种具有特定频移的声光调制器模块，本发明中以频移量为80MHz为例。通过控制输入声光调制器模块的射频信号来控制声光的开关及开通门限宽度从而将连续激光截断成纳秒脉冲激光。

示例所述N个光学放大器模块6，是N个分别将输入信号激光功率进行放大的模块。本发明中N路光学放大器模块6输入信号光均来自同一种子源，即来自至同一个分束器的N路输出端。本发明中以每路光学放大器模块6输出平均功率大于1W，单脉冲能量大于100μJ,边带模抑制比大于60dB为例。

示例中所述的N路光学放大器模块6输入信号光均来自同一种子源，即来自同一个分束器输出端，N份功率相近的信号光分别接入N个光学放大器模块6进行功率放大。由于各光学放大器模块6输入信号激光均来自同一种子源，且输出信号功率接近，这样从源头上保证了各光学放大器模块6输出光脉冲的光谱、脉宽等特性的一致性；同时也保证了时基的唯一性，可以精确控制各光学放大器模块6之间输出光脉冲的时间间隔。

示例中所述的从源头上保证了各光学放大器模块6输出光脉冲的光谱、脉宽等特性的一致性，是由于同一分束器（第三分束器5）的N根输出光纤中信号激光的功率、中心波长、光谱宽、噪声各项参数基本一致，使得在一定输出功率要求下各光学放大器模块6对信号光的放大倍率基本相同，从而能保证各光学放大器模块6输出光脉冲的光谱、脉宽等特性的一致性。

示例中所述的从源头上保证了各光学放大器模块6输出光脉冲保证了时基的唯一性，可以精确控制各光学放大器模块6之间输出光脉冲的时间间隔，是由于输入各光学放大器模块6的信号激光来自同一个种子源，内设控制声光模块开光的时序计数器只有一个，其开启时间、频率微变化均是与后面光学放大器模块6是同步的，可以有效避免多种子源模块中多计数器带来的开关时序差异、频率微变化差异带来的无法同步，进而无法精确稳定控制各光学放大器模块6输出光脉冲的时间间隔的问题。

下面，将从一个具体的应用场景中，就本发明的原理和实现方式进行详细阐述，以N为10为例。

如图2 所示，根据本发明实施例的一种用于相干激光雷达的激光器模块，运行于1.5μm波长附近，用于激光雷达，为窄线宽纳秒脉冲光纤激光器，包括：一个种子源模块和10个光学放大器模块6。

其中种子源模块包括：发射波长在1.5μm的连续激光器1（CW）激光种子源，为整个系统提供原始信号光；第一分束器2是用于将发射波长在1.5μm的连续（CW）激光种子源，按预定比例分成两份；第二分束器3用于将连续信号光的一部分均等分为10份；声光调制器（AOM）模块用于将连续信号光的一部分截断成脉冲激光以及产生固定频移；第三分束器5用于将AOM输出的脉冲激光均等分为10份。10个光学放大器模块6分别将第三分束器5分出来脉冲信号光进行放大。

发射波长在1.5μm的连续激光器1，光谱线宽小于5kHz，相对强度噪声<-140dB/Hz，边模抑制比>40dB。

第一分束器2是一种特制的全光纤无源器件，输入端一根光纤，输出端两根光纤；用于将发射波长在1.5μm的连续激光，按比例分成两份。

第二分束器3是一种特制的全光纤无源器件，输入端一根光纤，输出端10根光纤。通过将第二分束器3特定一根输出端光纤与该分束器输入端光纤熔接，该光信号将被分成多份信号光从不同光纤输出，每一份光所占功率比例定制，本发明中以10等份为例。这里被10等分的光信号根据后续用途被称为本振光。

声光调制器（AOM）模块是一种具有特定频移量的光纤声光调制器。在一些特定的应用场景中，例如测量大气风速，需要声光调制器产生频移。本发明中以频移量为80MHz为例。激光器的主控电路板通过控制输入声光调制器模块的射频信号来控制声光的开关及开通门限宽度从而将连续激光截断成纳秒脉冲激光，此时开启时间将被记录为时序基准。当然，在一些具体的应用场景中，声光调制器也可以不产生频移，仅仅作为脉冲调制器件，产生脉冲光。

第三分束器5是一种特制的全光纤无源器件，输入端一根光纤，输出端10根光纤。通过将AOM输出信号光纤与输入端光纤熔接，该光信号将被分成多份信号光从不同光纤输出，每一份光所占功率比例定制，本发明中以10等份为例。

10个光学放大器模块6大小及内部结构均相同，分别与第三分束器5的10根输出端光纤相接。每一路脉冲信号光在各光学放大器模块6中经过约相同比例的放大，使得最后每路光学放大器模块6输出激光各项参数接近一致。而所有光学放大器模块6的时序基准均是种子源模块中声光调制器的时序基准，所以可以结合各光学放大器模块6光路长短差异加上精确控制各光学放大器模块6的泵浦电流开启延时，达到精确控制各光学放大器模块6脉冲激光的输出时间。

如图3所示，在一个实施例中，还包括N个光纤环形器7，其中，

N个光纤环形器7与用于相干激光雷达的激光器模块输出的N个脉冲光信号对应设置，每个光纤环形器7的输入端与上述用于相干激光雷达的激光器模块输出的一路脉冲光信号输出端连接；其中，N为大于1的正整数。

本发明基于单种子源模块的多路光学放大器模块的结构，不仅增加了激光器整体结构的紧凑型，也降低了成本和功耗。

本发明多路光学放大器模块的输入光源均来自同一光源，保证了各光学放大器输出激光各项参数测一致性。

本发明单种子源模块带来的是单一脉冲时序基准，而唯一的时序基准可以用来精确控制各光学放大器模块的出光延时，极大改善相应的相干激光雷达系统的收发和测量精度。

本发明通过设置激光器模块或光纤环形器的出光方向朝向预设的区域，为激光雷达实现多角度、大面积的同时探测提供了技术基础。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于相干激光雷达的激光器模块，其特征在于，包括：连续激光器、激光脉冲调制模块、第一分束器、第二分束器和第三分束器，其中：

连续激光器用于输出预定波长的连续的激光信号；

第一分束器用于将连续激光器输出的激光信号分为两路，一路作为本振光，输出到第二分束器，另一路作为信号光输出到激光脉冲调制模块；

所述第二分束器用于将第一分束器输出的本振光分为N路输出；其中，N为大于1的正整数；

所述激光脉冲调制模块用于将输入的连续的激光信号调制为脉冲光信号输出；

所述第三分束器用于将激光脉冲调制模块输入的脉冲光信号分为N路输出；其中，N为大于1的正整数。

2.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的激光器模块，其特征在于，还包括N个光学放大器模块，其中，N为大于1的正整数；所述N个光学放大器模块与第三分束器输出的N路脉冲光信号一一对应设置，每个光学放大器模块用于放大对应的一路脉冲光信号；多个光学放大器模块输出的脉冲激光朝向指定的空间方向。

3.根据权利要求2所述的一种用于相干激光雷达的激光器模块，其特征在于，每个光学放大器模块输出的激光性能参数相同，且各光学放大器模块输出的激光脉冲相对延时可调。

4.根据权利要求3所述的一种用于相干激光雷达的激光器模块，其特征在于，所述各光学放大器模块输出的激光脉冲相对延时可调，包括：通过调节每个光学放大器模块中的光纤长度和电流开断时间，来实现每个光学放大器模块输出光脉冲的预定延时。

5.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的激光器模块，其特征在于，所述连续激光器的发射波长为0.9微米~2.5微米；所述连续激光器输出的激光光谱线宽小于15kHz；所述激光脉冲调制模块输出的脉冲宽度为0.1纳秒-2000纳秒。

6.根据权利要求2所述的一种用于相干激光雷达的激光器模块，其特征在于，每个所述光学放大器模块输出的激光光谱线宽小于10MHz，每个光学放大器模块输出的激光单脉冲能量为0.1微焦~2000微焦。

7.根据权利要求2所述的一种用于相干激光雷达的激光器模块，其特征在于，所述连续激光器为光纤激光器；所述光学放大器模块为光纤器件；所述第一分束器、第二分束器和第三分束器均为光纤分束器；所述连续激光器、激光脉冲调制模块、光学放大器模块、第一分束器、第二分束器和第三分束器之间均采用光纤连接。

8.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的激光器模块，其特征在于，激光脉冲调制模块为声光调制器、电光调制器或磁光调制器，所述声光调制器还用于将输入的激光信号产生预设的频移。

9.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的激光器模块，其特征在于，所述第一分束器、第二分束器和第三分束器的分束比为预设的比例；所述第二分束器的分束比与第三分束器的分束比相同。

10.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的激光器模块，其特征在于，还包括N个光纤环形器，其中，

N个光纤环形器与用于相干激光雷达的激光器模块输出的N个脉冲光信号对应设置，每个光纤环形器的输入端与上述用于相干激光雷达的激光器模块输出的一路脉冲光信号输出端连接；其中，N为大于1的正整数。

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