CN114646941A - 一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器，包括可调制光源、脉冲信号发生器、光纤分束模块、脉冲展宽离散模块、第一放大模块和光纤环形器。本发明通过更改激光器内部脉冲信号产生的原理，直接使用电调管芯的方式来产生脉冲波形，通过脉冲发生器直接对可调制光源进行内调制产生脉冲光信号，激光器的复杂程度显著降低，成本也显著降低。此外，使用脉冲信号发生器能产生更稳定的电脉冲信号，且产生的电脉冲信号具有更低的噪底，能够提高系统的信噪比。本发明通过设置脉冲色散展宽模块或脉冲离散模块来产生连续的或准连续的本振光，以满足相干激光雷达对光源的要求。

Description

一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器

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电调脉冲激光器。

背景技术

激光雷达是一种主动的现代光学遥感技术，是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光具有高亮度、高方向性、高相干性、高峰值功率的特点。因此，激光雷达具有高角分辨率、高的距离分辨率、高时间分辨率、高测量精度、远探测距离、多目标探测、强抗干扰的优点。通过以激光为信息载体，激光雷达可以用振幅、频率、相位、偏振来搭载信息。因此，其不仅可以精确测距，还可以精确测量频移、角度、姿态、退偏振。继微波雷达之后，激光雷达将辐射源的频率提高到了光频率，比毫米波高出四个数量级，这使之能够探测微小自然目标，如大气中的气溶胶和分子。随着激光技术和光电子学技术的发展，激光雷达已成为重要遥感探测手段。

相干激光雷达是激光雷达的重要组成部分，相干激光雷达由光源发射脉冲激光与大气相互作用产生的回波信号与本地的系统本振光产生差频信号，同时测量被放大的差频信号即可相对容易的得到待测大气参数如径向风速。光源部分包括一个脉冲的高功率激光器（出射光）和一个窄线宽的连续波激光器（本振光），出射光中的小部分用于和本振光混频，大部分被发射至大气中，然后被空气中气溶胶或大气分子散射产生回波信号，回波信号被望远镜接收后与本振光混频。

但是，本发明的发明人发现，现有的相干激光雷达都是通过声光调制器来产生脉冲信号，即在连续光源的情况下，通过一定频率开光和关光来形成脉冲信号，其价格昂贵，并且开关光的消光比不足会导致雷达系统中常见的漏光现象。

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电调脉冲激光器。

本发明是这样实现的：

一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器，包括可调制光源、脉冲信号发生器、光纤分束模块、脉冲展宽离散模块、第一放大模块和光纤环形器；

所述可调制光源为半导体激光器或发光二极管；

所述脉冲信号发生器用于对所述可调制光源进行内调制，使所述可调制光源输出预定的第一频率f1和第一脉冲宽度PW1的脉冲光信号；

所述光纤分束模块用于将所述脉冲光信号按照预定比例分为两路，其中一路作为信号光输出到第一放大模块，另一路作为本振光输出到脉冲展宽离散模块；

所述第一放大模块用于对输入的脉冲光信号进行放大后输出到光纤环形器中；

光纤环形器用于输出正向的脉冲光信号，并输出接收到的反向回波信号；

所述脉冲展宽离散模块包括脉冲色散展宽模块或脉冲离散模块，所述脉冲色散展宽模块用于将输入的脉冲信号展宽到预定的宽度；所述脉冲离散模块用于将输入的每个脉冲信号离散为N个脉冲光信号；其中，N≥10。

进一步的，所述脉冲信号发生器用于对所述可调制光源进行内调制，使所述可调制光源输出预定频率和脉冲宽度的脉冲光信号，包括：

脉冲信号发生器对所述可调制光源进行强度调制，形成预设的第一频率f1、第一脉冲宽度PW1的方波信号；

脉冲信号发生器在所述方波信号上进行强度调制，形成类高斯波形的电脉冲信号，所述电脉冲信号的脉冲宽度为预设的第二脉冲宽度PW2。

进一步的，所述脉冲色散展宽模块包括普通光纤、色散补偿光纤、光纤啁啾光栅，体光栅或者反射光栅对中的一种或几种。

进一步的， 所述脉冲色散展宽模块用于将输入的脉冲信号展宽到预定的第三脉冲宽度PW3，且满足：PW3≥1/f1，其中，1/f1代表可调制光源输出的脉冲光信号的周期。

进一步的，所述脉冲离散模块包括两个1*N型光纤耦合器，每个1*N型光纤耦合器包括N路延时光纤，两个1*N型光纤耦合器的N路延时光纤一一对应连接；连接后的N路光纤中，各路光纤的总长度以预设的长度差ΔL递增，使得各路光纤的总延时以Δt递增；连接后，所述脉冲离散模块具有一个输入端和一个输出端。

进一步的，各路光纤的总延时递增量Δt满足下式：Δt=1/(N*f1)。

进一步的，预设的激光雷达接收系统的采样间隔为Δts，则N满足下式：

N≥1/(Δts*f1)。

进一步的，还包括第二放大模块；

光纤环形器还用于输出正向脉冲光信号到第二放大模块中；

第二放大模块用于将输入的正向信号放大后输出，并将接收到的反向回波信号进行放大；放大后的反向回波信号经过光纤环形器的反向信号输出端输出。

进一步的，所述光纤环形器包括输入端、收发端和反向信号输出端，所述光纤环形器的输入端与第一放大模块连接；所述光纤环形器的收发端与第二放大模块连接，用于将输入的信号输出到第二放大模块，所述光纤环形器的反向信号输出端用于输出接收到的反向回波信号。

进一步的，所述光纤分束模块为光纤分束器或光纤耦合器。

进一步的，所述第一放大模块输出的激光单脉冲能量为0.1微焦~2000微焦。

进一步的，在所述方波信号的低电平时间内，信号（为零）具有无噪声状态。

本发明提供了一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器。本发明通过更改激光器内部脉冲信号产生的原理，直接使用电调管芯的方式来产生脉冲波形，通过脉冲发生器直接对可调制光源进行内调制产生脉冲光信号。

现有相干激光雷达通常使用声光调制器来产生脉冲光信号。声光调制器为有源光纤器件，价格昂贵，受外界环境影响较大，也对输入的射频信号要求很高。本发明用脉冲信号发生器替代声光调制器后，激光器的复杂程度显著降低，成本也显著降低。此外，使用脉冲信号发生器能产生更稳定的电脉冲信号，且产生的电脉冲信号具有更低的噪底，能够提高系统的信噪比。

本发明通过设置脉冲色散展宽模块或脉冲离散模块来产生连续的或准连续的本振光，以满足相干激光雷达对光源的要求。

脉冲色散展宽模块用色散展宽原理将脉冲信号展宽到预定的宽度，每个时间点都有本振光信号。从而将脉冲光变成连续光或准连续光，方便连续时间上拍频，提取探测目标信号。此外，脉冲色散展宽模块由无源器件构成，如普通光纤、色散补偿光纤、光纤啁啾光栅，体光栅或者反射光栅对等，受环境因素较小，稳定性好。

脉冲离散模块采用离散脉冲的形式，将脉冲光的每个脉冲离散为多个高频的脉冲，通过使用N路光纤延时器将周期较大、间距较远的脉冲光变成高频的、间距较近的脉冲光，配合激光雷达的采样间隔，形成准连续光。方便在短时间间隔内拍频，提取探测目标信号。

由于本发明采用内调制方法，采用的脉冲信号发生器、可调制光源、色散展宽器和耦合器的成本非常低，能够显著降低相干激光雷达光源的成本；且这些器件成熟稳定，噪声更低，从而显著提高系统的稳定性。

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电调脉冲激光器的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器的又一结构框图；

图3为本发明实施例提供的光源调制过程示意图；

图4为本发明实施例提供的色散展宽过程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器的又一结构框图；

图6为脉冲离散模块的原理图；

图7为本发明实施例提供的脉冲离散过程示意图；

图8为本发明实施例提供的一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器的又一结构框图。

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是为本发明实施例提供的一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器的结构框图。如图1所示，一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器，包括可调制光源1、脉冲信号发生器2、光纤分束模块3、脉冲展宽离散模块4、第一放大模块5和光纤环形器6；

所述可调制光源1为半导体激光器或发光二极管；

所述脉冲信号发生器2用于对所述可调制光源1进行内调制，使所述可调制光源1输出预定的第一频率f1和第一脉冲宽度PW1的脉冲光信号。

具体的，半导体激光器是电子与光子相互作用并进行能量直接转换的器件。半导体激光器有一个阈值电流5，当驱动电流密度小于5时，激光器基本上不发光或只发很弱的、谱线宽度很宽、方向性较差的荧光；当驱动电流密度大于5时，则开始发射激光，此时谱线宽度、辐射方向显著变窄，强度大幅度增加，而且随电流的增加呈线性增长。发射激光的强弱直接与驱动电流的大小有关。若把调制信号加到激光器电源上，就可以直接改变（调制）激光器输出光信号的强度。由于这种调制方简单，能工作在高频，并能保证良好的线性工作区和带宽，因此在光纤通信、光盘和光复印等方面得到了广泛的虚用。

为了获得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分，必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流使输出的光信号不失真。但是必须注意，要把调制信号源与直流偏置隔离，避免直流偏置源对调制信号源产生影响。当频率较低时，可用电容和电感线圈串接来实现，当频率很高（大于50 MHz）时，则必须采用高通滤波电路。另外，偏置电源直接影响LD的调制性能，通常应选择偏置电流在阈值电流附近而且略低于5，此时LD可获得较高的调制速率。因为在这种情况下，LD连续发射光信号不需要准备时间（即延迟时间很小），其调制速率不受激光器中载流子平均寿命的限制，同时也会抑制张弛振荡。但偏置电流选得太大，又会使激光器得消光比变坏，所以在选择偏置电流时，要综合考虑其影响。

本发明通过改变用于激光雷达的激光器内部脉冲信号产生的原理，直接使用电调管芯的方式来产生脉冲波形，用价格非常便宜的脉冲信号发生器2调制半导体激光器或发光二极管，从而替代昂贵的声光调制器来产生脉冲信号。

产生的脉冲光信号经光纤分束模块3，按照预定比例分为两路，其中一路作为信号光输出到第一放大模块5，另一路作为本振光输出到脉冲展宽离散模块4；

所述第一放大模块5用于对输入的脉冲光信号进行放大后输出到光纤环形器6中；

光纤环形器6用于输出正向的脉冲光信号，并输出接收到的反向回波信号。反向回波信号中携带激光雷达待测量的大气参数。

根据相干激光雷达的基本原理，相干激光雷达由光源发射连续光，一部分经AOM调制为脉冲激光与大气相互作用产生回波信号，另一部分连续光作为本振光，本地的系统本振光与回波信号产生差频信号，同时测量被放大的差频信号即可相对容易的得到待测大气参数如径向风速。

为了满足相干激光雷达对光源的要求，在产生脉冲光的同时，需要产生连续的本振光，或者，产生与激光雷达采样间隔匹配的离散的准连续光，因此，本发明的所述脉冲展宽离散模块4包括脉冲色散展宽模块或脉冲离散模块。所述脉冲色散展宽模块用于将输入的脉冲信号展宽到预定的宽度；所述脉冲离散模块用于将输入的每个脉冲信号离散为N个脉冲光信号；其中，N≥10。N为自然数。

最后本振光和反向回波信号同时进入平衡探测器中拍频，得出频率变化信息，实现相干激光雷达的探测。

进一步的，所述脉冲信号发生器2用于对所述可调制光源1进行内调制，使所述可调制光源1输出预定频率和脉冲宽度的脉冲光信号，包括：

脉冲信号发生器2对所述可调制光源1进行强度调制，形成预设的第一频率f1、第一脉冲宽度PW1的方波信号；

脉冲信号发生器2在所述方波信号上进行强度调制，形成类高斯波形的电脉冲信号，所述电脉冲信号的脉冲宽度为预设的第二脉冲宽度PW2。

在一个实施例中，第一频率f1满足下式：1kHz≤f1≤1MHz；第一脉冲宽度PW1满足下式：20ns≤PW1≤10us。

在所述方波信号的低电平时间内，信号（为零）具有无噪声状态。因此，采用本发明的方案，产生的电脉冲信号具有更低的噪底。

内调制是在光源上直接施加调制信号，使光源在发光过程中完成光的参数调制，又称为直接调制。半导体激光器或发光二极管都可采用直接调制。半导体激光器的调制信号连同偏置电流必须超过它的阈值才能实现调制。

内调制包括以下几种：

ASK-幅度键控是通过改变光能强度以载送数字信息，也称为光强调制。

FSK-频键移键控是通过改变光波的频率以载送数字信息，也称为光频调制。

psk-相移键控是通过改变光波的相位以载送数字信息，也称为光相调制。

光的FSK和PSK，必须采用相干性很好的光源，即单纵模的谱线很窄的激光光源。

本发明中的内调制属于光强调制，调制范围为0~100%。

本发明的脉冲色散展宽模块，采用光学色散展宽原理将脉冲信号进行展宽，产生高频率离散的准连续光甚至连续光，使每个时间点都有本振光信号，从而降低了激光器成本，提高了系统的稳定性。

进一步的，所述脉冲色散展宽模块包括普通光纤、色散补偿光纤、光纤啁啾光栅，体光栅或者反射光栅对中的一种或几种。

光纤的色散主要有材料色散、波导色散、偏振模色散和模式色散四种。其中，模间色散是多模光纤所特有的。

模式色散：多模传输时，光纤各模式在同一波长下，因传输常数的切线分量不同，群速不同所引起的色散。多模光纤中，以不同角度射入光纤的射线在光纤中形成不同的模式。光纤基本结构中的图画出了三条不同角度的子午射线。其中沿轴心传输的射线为最低次模，其切线方向的传输速度（即群速）最快，首先到达终端。沿刚好产生全反射角度传输的射线为最高次模，其切线方向的传输速度最慢，最晚到达终端。它们到达终端的时间就有差异，模式间的这种时间差或时延差就叫做模式色散，或称模间色散。

多模光纤的色散用光纤带宽（MHzkm）表示，带宽是从频域特性表示光纤色散大小的。

信号不是单一模式会引起模式色散。多模光纤中，模式色散在三种色散中是主要的。

材料色散：是光纤材料的折射率随频率（波长）而变，可使信号的各频率（波长）群速度不同引起色散。

波导色散：某个模式本身，由于传输的是有一定宽度频带，不同频率下传输常数的切线分量不同，群速不同所引起的色散。

材料色散和波导色散在实际情况下很难截然分开，所以在许多情况下将这二种色散统称为模内色散。本发明正是利用光导介质中该特性来将脉冲展宽。

这四种色散作用还相互影响，由于材料折射率n是波长λ（或频率w）的非线性函数，d2n/d2λ≠0，于是不同频率的光波传输的群速度不同，所导致的色散成为材料色散。

由于导引模的传播常数β是波长λ(或频率w)的非线性函数，使得该导引模的群速度随着光波长的变化而变化，所产生的色散成为波导色散（或结构色散）。

偏振模色散：指光纤中偏振色散，简称 PMD(polarization mode dispersion)，它是由于实际的光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模，沿光纤传播过程中，由于光纤难免受到外部的作用，如温度和压力等因素变化或扰动，使得两模式发生耦合，并且它们的传播速度也不尽相同，从而导致光脉冲展宽，引起信号失真。

不同的导引模的群速度不同引起的色散成为模间色散，模间色散只存在与多模光纤中。

色散限制了光纤的带宽—距离乘积值。色散越大，光纤中的带宽—距离乘积越小，在传输距离一定（距离由光纤衰减确定）时，带宽就越小，带宽的大小决定传输信息容量的大小。

在同一根光纤中，高次模到达终点走的路程长，低次模走的路程短，这就意味着高次模到达终点需要的时间长，低次模到达点需要的时间短。在一条长度相同的光纤上，最高次模与最低次模到达终点所用的时间差，就是这段光纤产生的脉冲展宽。

其他除真空外的光导介质一般都具有色散特性，只是大小不同而已。常用的大色量的介质一般有色散补偿光纤，光纤光栅，体光栅和光栅对。它们可以在短光程内将脉冲极大的展宽。

进一步的，为了产生连续光，进一步的， 所述脉冲色散展宽模块用于将输入的脉冲信号展宽到预定的第三脉冲宽度PW3，且满足：PW3≥1/f1，其中，1/f1代表可调制光源1输出的脉冲光信号的周期。

当满足PW3≥1/f1时，脉冲色散展宽模块展宽后的第二脉冲宽度大于等于脉冲信号发生器2调制出的激光脉冲周期，这样一来，展宽后的脉冲彼此连接甚至重叠，从而产生了连续的光信号。

下面以一个具体的应用场景来对本发明一个实施例进行进一步阐述。其中，脉冲展宽离散模块4为脉冲色散展宽模块。

图2为本发明实施例提供的一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器的又一结构框图； 图3为本发明实施例提供的光源调制过程示意图。

在图2和图3所示的场景中，脉冲信号发生器2对可调制光源1，如半导体激光器，进行强度调制，形成预设的第一频率f1=20kHz、第一脉冲宽度PW1=1us的方波信号；

脉冲信号发生器2在所述方波信号上进行强度调制，形成类高斯波形的电脉冲信号，所述电脉冲信号的脉冲宽度为预设的第二脉冲宽度PW2=200ns。

进一步的，在所述方波信号的低电平时间内，信号（为零）具有无噪声状态。

图4为本发明实施例提供的色散展宽过程示意图。如图4所示，当脉冲发生器调制好的f1=20kHz，PW2=200ns的脉冲信号进入脉冲色散展宽模块（如光纤光栅）后，当满足PW3≥1/f1= 50us后，相邻两个脉冲之间会发生重叠，因此在时域上任意时刻都有本振光的频率信号，便于与返回光拍频。而且此重叠的光信号的幅度抖动不会改变其频率，就是说频率仍然是固定的。从而在拍频中有个稳定频率信号。

图5为本发明实施例提供的一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器的又一结构框图；其中，脉冲展宽离散模块4为脉冲离散模块。所述脉冲离散模块包括两个1*N型光纤耦合器，每个1*N型光纤耦合器包括N路延时光纤，两个1*N型光纤耦合器的N路延时光纤一一对应连接；连接后的N路光纤中，各路光纤的总长度以预设的长度差ΔL递增，使得各路光纤的总延时以Δt递增；连接后，所述脉冲离散模块具有一个输入端和一个输出端。

本发明的脉冲离散模块使用N路光纤延时器将周期较大、间距较远的脉冲光变成密集的、间距较近的脉冲光，方便在短时间间隔内拍频，提取探测目标信号。

需要说明的是，本发明中的符号“*”均代表乘号。1*N型光纤即为1端输入，N端输出，此时为分束器。根据光路可逆原理，也可以用做N端输入，1端输出，此时为耦合器。

进一步的，各路光纤的总延时递增量Δt满足下式：Δt=1/(N*f1)。

进一步的，在相干激光雷达信号检测过程中，虽然要求本振光为连续光，但在本振光与回波信号拍频的过程中，信号采集系统不可能做到连续采样，只能无限接近连续采样，事实上，也不需要完全连续，满足系统精度要求即可。因此，激光雷达信号采样仍然是具有一定的采样间隔的离散信号。

预设的激光雷达接收系统的采样间隔为Δts，则N满足下式：

N≥1/(Δts*f1)。

例如，当采样间隔Δts=1us、脉冲信号频率f1=20kHz时，根据N≥1/(Δts*f1)，可计算出N≥50。当N的设置满足脉冲离散模块的出射光间隔小于等于激光雷达接收系统的采样间隔为Δts时，可以认为本振光的连续性符合激光雷达系统要求。

下面以一个应用场景来对本发明实施例进行进一步阐述。

图6为脉冲离散模块的原理图；图7为本发明实施例提供的脉冲离散过程示意图。

仍以脉冲发生器调制的脉冲信号f1=20kHz，PW2=200ns为例，脉冲离散模块包括两个1*N型光纤耦合器，以N=50为例说明。

如图6所示，N路光纤延时器由两只1*N光纤耦合器组成，其中N=50。

各路光纤的总延时递增量Δt满足下式：Δt=1/(N*f1)，即：

Δt=1/(50*20000)=0.001s=1us。

因此，每个通道延时不相同，而是相隔1us。

当f1=20kHz，PW2=200ns的脉冲光进入1*50光纤耦合器后，功率将均分成50等份，分别从输出端50路输出，然后一一对应进入另一只1*50光纤耦合器的尾纤中。

50路通道中每路光纤长短不一，长度间隔ΔL=c/(n*Δt)；其中，c为光速，n为光纤的纤芯折射率。如图7所示，每路光脉冲进入单端口后，脉冲变成宽度200ns、频率1Mhz，每个脉冲间隔（或周期）为1us。这种非连续光源作为本振光时可以匹配使用同样间隔的时间来进行信号采集。如果需要更快的采样频率，可以适当增大N的值。

本发明提供了一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器。本发明通过更改激光器内部脉冲信号产生的原理，直接使用电调管芯的方式来产生脉冲波形，通过脉冲发生器直接对可调制光源1进行内调制产生脉冲光信号。

现有相干激光雷达通常使用声光调制器来产生脉冲光信号。声光调制器为有源光纤器件，价格昂贵，受外界环境影响较大，也对输入的射频信号要求很高。本发明用脉冲信号发生器2替代声光调制器后，激光器的复杂程度显著降低，成本也显著降低。此外，使用脉冲信号发生器2能产生更稳定的电脉冲信号，且产生的电脉冲信号具有更低的噪底，能够提高系统的信噪比。

本发明通过设置脉冲色散展宽模块或脉冲离散模块来产生连续的或准连续的本振光，以满足相干激光雷达对光源的要求。

脉冲色散展宽模块用色散展宽原理将脉冲信号展宽到预定的宽度，每个时间点都有本振光信号。从而将脉冲光变成连续光或准连续光，方便连续时间上拍频，提取探测目标信号。此外，脉冲色散展宽模块由无源器件构成，如普通光纤、色散补偿光纤、光纤啁啾光栅，体光栅或者反射光栅对等，受环境因素较小，稳定性好。

脉冲离散模块采用离散脉冲的形式，将脉冲光的每个脉冲离散为多个高频的脉冲，通过使用N路光纤延时器将周期较大、间距较远的脉冲光变成高频的、间距较近的脉冲光，配合激光雷达的采样间隔，形成准连续光。方便在短时间间隔内拍频，提取探测目标信号。

由于本发明采用内调制方法，采用的脉冲信号发生器2、可调制光源1、色散展宽器和耦合器的成本非常低，能够显著降低相干激光雷达光源的成本；且这些器件成熟稳定，噪声更低，从而显著提高系统的稳定性。

进一步的，所述光纤分束模块为光纤分束器或光纤耦合器。由于光纤耦合器的耦合效率更高，损耗小，优选为光纤耦合器。

进一步的，所述第一放大模块输出的激光单脉冲能量为0.1微焦~2000微焦。

在一个实施例中，第一放大模块5为光学放大器，光学放大器为与激光波长对应的稀土元素掺杂的光纤放大器。所述光学放大器为掺铒光纤放大器、掺镱光纤放大器、铒镱共掺双包层光纤放大器中的一种或几种。例如，光学放大器为掺杂铒或者同时掺杂铒镱稀土元素的光纤放大器模块。

在一个实施例中，所述光学放大器的放大倍数为100倍~10000倍之间，即20dB~40dB。

在一个实施例中，所述第一放大模块5输出的激光光谱线宽小于10MHz，所述第一放大模块5输出的激光单脉冲能量为0.1微焦~2000微焦。

本发明的激光为全光纤结构，无空间机械结构，具有优良的稳定性和散热性，而且大幅度减小了激光器的体积。

本发明的发明人经过研究发现，当使用激光雷达进行大气探测时，由于大气粒子的后向散射信号非常微弱，对激光雷达的发射功率要求很高，而微弱的后向散射信号又导致激光雷达的信噪比偏低，为信号有效提取带来了一系列问题。

为了解决上述问题，提高激光雷达信号的信噪比，在一个优选的实施例中，如图8所示，还包括第二放大模块7。光纤环形器6还用于输出正向脉冲光信号到第二放大模块7中；第二放大模块7用于将输入的正向信号放大后输出，并将接收到的反向回波信号进行放大；放大后的反向回波信号经过光纤环形器6的反向信号输出端输出。

具体的，所述光纤环形器6包括输入端、收发端和反向信号输出端，所述光纤环形器6的输入端与第一放大模块5连接；所述光纤环形器6的收发端与第二放大模块7连接，用于将输入的信号输出到第二放大模块7，所述光纤环形器6的反向信号输出端用于输出接收到的反向回波信号。

光纤环形器6输出正向脉冲光信号到第二放大模块7中，第二放大模块7用于将输入的正向信号放大后输出，并将接收到的反向回波信号进行放大。放大后的反向回波信号经过光纤环形器6的反向信号输出端输出到激光雷达系统，光纤环形器6这种分离反向信号的功能同时起到了隔离器的作用。第二放大模块为光学放大器。

在一个实施例中，所述第二放大模块7输出的激光光谱线宽小于10MHz，所述第二放大模块7输出的激光单脉冲能量为0.1微焦~2000微焦。

在一个实施例中，由于大气探测的回波信号非常微弱，为了增强出射信号强度，实现信号的多级放大，还包括M个放大模块；M个放大模块设置在可调制光源与第二放大模块5之间；M≥1。

优选的，所述M个放大模块设置在第一放大模块5和光纤环形器6之间。M个放大模块均为光学放大器，光学放大器为与激光波长对应的稀土元素掺杂的光纤放大器。所述光学放大器为掺铒光纤放大器、掺镱光纤放大器、铒镱共掺双包层光纤放大器中的一种或几种。例如，光学放大器为掺杂铒或者同时掺杂铒镱稀土元素的光纤放大器模块。

M个放大模块均用于对输入的信号进行逐级放大。M个放大模块通过光纤依次连接。由于回波信号非常微弱，而光学放大器对于微弱信号的放大能力通常会增强，因此，将所述M个放大模块设置在第一放大模块5和光纤环形器6之间时，对回波信号仅仅进行一次放大，由于回反光非常微弱，并不耗用过多的泵浦能量，能够在放大回波信号的同时不影响正常正向放大信号。且，由于小信号的放大倍数大于大信号，将光纤环形器设置在第N级光学放大器和第N-1级光学放大器之间，回波信号的放大倍数效应也最强。

本发明将光纤环形器6和最后一级放大模块互换位置，并且根据前后放大模块的输出输入光纤的型号来匹配环形器的输入输出光纤。激光雷达系统接收到反向回波信号后，将输入到第二放大模块中进行反向放大，并通过光纤环形器6反向信号输出端口输出，此时就将反向回波放大了指数倍量级后再进行探测和信号提取。本发明的一个主要目的是在不提高现有成本的情况下大大的增加探测距离。由于反向回波信号非常微弱，并不耗用过多的泵浦能量，故在反向放大时候不影响正常正向放大信号。

本发明的光纤环形器6设置在第二放大模块7之前，大大降低了环形器需要承受的最高功率，从而大大降低环形器的成本。举例来说，若最后一级的放大倍数为100倍（20dB），则环形器的最高承受功率可从2瓦降到只需承受20mw左右的功率，使环形器的成本降低一半左右。

本发明的出射光无需通过环形器尾纤直接输出，可以有效提高放大器的非线性阈值，可以通过增加泵浦进一步提升脉冲峰值功率，提高探测距离。

对于大气探测，由于大气回波信号通常是微弱信号，通常信噪比非常低。当大气损耗为定值时，为了提高激光雷达的信噪比和测量距离，通常采取增加出射光的单脉冲能量，或者单脉冲峰值功率，虽然在一定程度上能够提高信噪比，但光功率超过受激布里渊散射的阈值时，会激发强烈的受激布里渊散射，降低激光功率，损坏光纤器件。故限制了激光雷达的探测距离。

对于光纤器件，一旦输入的信号光功率达到或超过受激布里渊散射的阈值，将会发生很强的受激布里渊散射。受激布里渊散射会把绝大部分输入功率转换为反向斯托克斯波，反向斯托克斯波会消耗传输中的激光能量，造成正向传输的激光功率的显著损失，并会造成透射信号抖动。更为严重的是，强烈的反向斯托克斯波还可能会损害激光器，进而对整个光学系统造成危害。

由于环形器输入输出尾纤长度共一米左右，本发明最后一级放大级之后不设置环形器，那么相当于直接减少一米的光纤传输距离，从而使激光器模块的受激布里渊散射效应将大大降低，故脉冲峰值功率可以提高50%左右，从而大幅提高信号强度和探测距离。

本发明在不提高现有成本的情况下将回反光放大了指数倍量级后再进行探测和信号提取，能够大幅提高探测距离。现有技术中，提高探测距离和信噪比，通常采用的方式是增加出射激光的功率。本发明在对回波信号分析之前首先对回波信号进行光学放大，故能大大提高回波信号的强度，从而提取更微弱的光学信号，从而大大提高激光雷达的探测范围。

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电调脉冲激光器，其特征在于，包括可调制光源、脉冲信号发生器、光纤分束模块、脉冲展宽离散模块、第一放大模块和光纤环形器；

所述可调制光源为半导体激光器或发光二极管；

所述脉冲信号发生器用于对所述可调制光源进行内调制，使所述可调制光源输出预定的第一频率f1和第一脉冲宽度PW1的脉冲光信号；

所述光纤分束模块用于将所述脉冲光信号按照预定比例分为两路，其中一路作为信号光输出到第一放大模块，另一路作为本振光输出到脉冲展宽离散模块；

所述第一放大模块用于对输入的脉冲光信号进行放大后输出到光纤环形器中；

光纤环形器用于输出正向的脉冲光信号，并输出接收到的反向回波信号；

所述脉冲展宽离散模块包括脉冲色散展宽模块或脉冲离散模块，所述脉冲色散展宽模块用于将输入的脉冲信号展宽到预定的宽度；所述脉冲离散模块用于将输入的每个脉冲信号离散为N个脉冲光信号；其中，N≥10，N为自然数。

2.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器，其特征在于，所述脉冲信号发生器用于对所述可调制光源进行内调制，使所述可调制光源输出预定频率和脉冲宽度的脉冲光信号，包括：

脉冲信号发生器对所述可调制光源进行强度调制，形成预设的第一频率f1、第一脉冲宽度PW1的方波信号；

脉冲信号发生器在所述方波信号上进行强度调制，形成类高斯波形的电脉冲信号，所述电脉冲信号的脉冲宽度为预设的第二脉冲宽度PW2。

3.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器，其特征在于，所述脉冲色散展宽模块包括普通光纤、色散补偿光纤、光纤啁啾光栅、体光栅或者反射光栅对中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器，其特征在于，所述脉冲色散展宽模块用于将输入的脉冲信号展宽到预定的第三脉冲宽度PW3，且满足：PW3≥1/f1，其中，1/f1代表可调制光源输出的脉冲光信号的周期。

5.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器，其特征在于，所述脉冲离散模块包括两个1*N型光纤耦合器，每个1*N型光纤耦合器包括N路延时光纤，两个1*N型光纤耦合器的N路延时光纤一一对应连接；连接后的N路光纤中，各路光纤的总长度以预设的长度差ΔL递增，使得各路光纤的总延时以Δt递增；连接后，所述脉冲离散模块具有一个输入端和一个输出端。

6.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器，其特征在于，各路光纤的总延时递增量Δt满足下式：Δt=1/(N*f1)。

7.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器，其特征在于，预设的激光雷达接收系统的采样间隔为Δts，则N满足下式：

N≥1/(Δts*f1)。

8.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器，其特征在于， 还包括第二放大模块；

光纤环形器还用于输出正向脉冲光信号到第二放大模块中；

第二放大模块用于将输入的正向信号放大后输出，并将接收到的反向回波信号进行放大；放大后的反向回波信号经过光纤环形器的反向信号输出端输出。

9.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器，其特征在于，所述光纤环形器包括输入端、收发端和反向信号输出端，所述光纤环形器的输入端与第一放大模块连接；所述光纤环形器的收发端与第二放大模块连接，用于将输入的信号输出到第二放大模块，所述光纤环形器的反向信号输出端用于输出接收到的反向回波信号。

10.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的电调脉冲激光器，其特征在于，所述光纤分束模块为光纤分束器或光纤耦合器。

Images