CN114709705A - 一种用于相干激光雷达的回波信号分时放大激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于相干激光雷达的回波信号分时放大激光器，包括：连续激光器、光纤分束模块、脉冲产生器、第一放大模块、光纤环形器、回波放大模块；回波放大模块用于对不同时段的回波信号以不同的倍率进行放大。本发明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。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。通过时延分段给与不同的泵浦能量，从而使远距离放大倍率更高，近距离不放大，最终放大后的回波信号均在相当的量级，更容易提取，且分级放大能够有效避免近距离强信号对探测器造成的损坏。

Description

一种用于相干激光雷达的回波信号分时放大激光器
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回波信号分时放大激光器。
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。
然而，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。
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回波信号分时放大激光器，包括：连续激光器、光纤分束模块、脉冲产生器、第一放大模块、光纤环形器、回波放大模块；
其中，所述连续激光器用于输出预定波长的连续的激光信号；
光纤分束模块用于将连续激光器输出的信号按照预定比例分为两路，其中一路作为信号光输出到脉冲产生器，另一路作为本振光；
所述脉冲产生器用于将输入的连续激光信号调制为脉冲光信号；所述脉冲产生器包括脉冲产生电路和光学开关，所述脉冲产生电路用于产生预定的脉冲重复频率f 1 、脉冲周期T 1 的电脉冲信号，所述光学开关用于根据脉冲产生电路产生的电脉冲信号将输入的连续激光信号调制为脉冲光信号；其中，f 1 =1/T 1 ；
第一放大模块用于将脉冲产生器输出的脉冲光信号进行放大；
所述光纤环形器用于将第一放大模块输出的脉冲信号输出，并用于接收包含待测目标物信息的回波信号并单独输出所述回波信号；
所述回波放大模块用于对不同时段的回波信号以不同的倍率进行放大；
所述回波放大模块包括泵浦光源、泵浦合束器和增益光纤；
所述泵浦光源用于产生连续的泵浦光；所述泵浦光源包括泵浦驱动电路和泵浦管芯；
所述泵浦驱动电路与脉冲产生电路连接，用于根据脉冲产生电路产生的触发信号和预定的策略向泵浦管芯发送控制信号；所述泵浦管芯用于根据泵浦驱动电路的控制信号，在不同时段输出不同功率的泵浦光；
所述泵浦合束器用于将光纤环形器输出的回波信号和泵浦光合束后输出到所述增益光纤中进行放大。
进一步的，所述泵浦驱动电路与脉冲产生电路连接，用于根据脉冲产生电路产生的触发信号和预定的策略向泵浦管芯发送控制信号，所述泵浦管芯用于根据泵浦驱动电路的控制信号，在不同时段输出不同功率的泵浦光；包括：
脉冲产生器产生一个脉冲后产生一个触发信号；
泵浦驱动电路在接收到每个触发信号后，在对应的每个脉冲周期T 1 内，向泵浦管芯发送预定的控制信号；
泵浦管芯根据所述控制信号在对应的每个脉冲周期T 1 内不同时段输出不同功率的泵浦光。
进一步的，所述回波放大模块用于对不同时段的回波信号以不同的倍率进行放大；包括：
在对应的每个脉冲周期T 1 内：
在0~T 10 时间内，泵浦管芯输出的泵浦光功率为第一功率P 1 ；回波放大模块对回波信号的放大倍率为0；其中，0＜T 10 ＜T 1 ；
在T 10 ~T 20 时间内，泵浦管芯输出的泵浦光功率为第二功率P 2 ；回波放大模块对回波信号的放大倍率为A1；其中，T 10 ＜T 20 ＜T 1 ；
在T 20 ~T 1 时间内，泵浦管芯输出的泵浦光功率为第三功率P 3 ；回波放大模块对回波信号的放大倍率为A2。
进一步的，所述回波放大模块用于对不同时段的回波信号以不同的倍率进行放大；包括：
在对应的每个脉冲周期T 1 内，分为N个时间段：
在第n个T 1 /N时间内，泵浦管芯输出的泵浦光功率为（n-1)×P 4 /N，回波放大模块对回波信号的放大倍率为（n-1)×A 4 /N；其中，N为自然数，N＞3；n∈[1,N]；P 4 为预设的第四功率；A 4 为预设的第四放大倍率。
进一步的，所述回波放大模块用于对不同时段的回波信号以不同的倍率进行放大；包括：
在对应的每个脉冲周期T 1 内；
在t时刻，泵浦管芯输出的泵浦光功率为P(t)=t×P max /T 1 ；回波放大模块对回波信号的放大倍率为A(t)=t×A max /T 1 ；其中t为每个脉冲周期T 1 内的任一时刻，t∈[0, T 1 ]；P max 为预设的最大功率；A max 为预设的最大放大倍率。
进一步的，所述脉冲产生器为机械调制器、声光调制器、电光调制器或磁光调制器。
进一步的，所述泵浦光源的波长小于连续激光器输出的信号波长，所述泵浦光源输出的功率大于回波信号的信号功率。
进一步的，所述泵浦光源的功率为2W~1000W；所述泵浦光源与泵浦合束器通过光纤连接；所述泵浦光源的波长与连续激光器输出的信号波长差值为70~700nm。
进一步的，所述泵浦合束器为波分复用器件、光纤耦合器、偏振合束器中的一种或几种。
进一步的，所述光纤分束模块为光纤分束器或光纤耦合器。
本发明是通过增加光学放大级来增加被探测信号能量，从而实现提升探测距离。本发明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。
本发明不是通过简单的增加光学放大级来提升被探测信号能量，而是通过时延分段给与不同的泵浦能量，从而使远距离放大倍率更高，近距离不放大，最终放大后的回波信号均在相当的量级，更容易提取，且分级放大能够有效避免近距离强信号对探测器造成的损坏。
本发明控制泵浦光源的输出由激光器内部脉冲产生器提供触发信号，不增加其他模块，从而有效降低激光器的成本。
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回波信号分时放大激光器的结构框图；
图2为本发明实施例提供的原始回波信号的示意图；
图3为本发明实施例提供的泵浦功率的一个周期内的示意图；
图4为本发明实施例提供的泵浦功率的多个周期的示意图；
图5为本发明实施例提供的泵浦功率的放大后的回波信号示意图；
图6为本发明实施例提供的泵浦功率的又一单个周期内的示意图；
图7为本发明实施例提供的泵浦功率的又一多个周期的示意图；
图8为本发明实施例提供的泵浦功率的再一单个周期内的示意图；
图9为本发明实施例提供的泵浦功率的再一多个周期的示意图。
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：
相干激光雷达由光源发射保偏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7接收后与本振光混频；探测部分包括两个探测器，一个用来探测出射光的频率f0 和本振光频率fLO 的混频信号，另一个用来探测回波信号f0+△f和本振光fLO的混频信号。
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，一部分经脉冲发生器（如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。
对于相干激光雷达，探测距离越远越好。然而，当大气损耗为定值时，提高探测距离唯有增加出射光的单脉冲能量，或者单脉冲峰值功率，而光纤激光器受非线性影响不能有效提高单脉冲峰值功率，故限制了激光雷达的探测距离。
本发明实施例提供了一种用于相干激光雷达的回波信号分时放大激光器，能够提高微弱信号的检测哪里，提高激光雷达的探测距离。如图1所示：一种用于相干激光雷达的回波信号分时放大激光器，包括：连续激光器、光纤分束模块、脉冲产生器、第一放大模块、光纤环形器、回波放大模块；其中：
所述连续激光器用于输出预定波长的连续的激光信号；所述连续激光器的输出端与光纤分束模块的输入端连接。
光纤分束模块用于将连续激光器输出的信号按照预定比例分为两路，其中一路作为信号光输出到脉冲产生器，另一路作为本振光（本振光也叫做参考光）。所述光纤分束模块为光纤分束器或光纤耦合器。光纤耦合器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，如10：90。
所述脉冲产生器用于将输入的连续激光信号调制为脉冲光信号；所述脉冲产生器包括脉冲产生电路和光学开关，所述脉冲产生电路用于产生预定的脉冲重复频率f 1 、脉冲周期T 1 的电脉冲信号，所述光学开关用于根据脉冲产生电路产生的电脉冲信号将输入的连续激光信号调制为脉冲光信号；其中，f 1 =1/T 1 。脉冲产生器的输出端与第一放大模块的输入端连接。
第一放大模块用于将脉冲产生器输出的脉冲光信号进行放大。
所述光纤环形器用于将第一放大模块输出的脉冲信号输出，并用于接收包含待测目标物信息的回波信号并单独输出所述回波信号。
回波放大模块用于对不同时段的回波信号以不同的倍率进行放大；所述回波放大模块包括泵浦光源、泵浦合束器和增益光纤；所述泵浦光源用于产生连续的泵浦光；所述泵浦光源包括泵浦驱动电路和泵浦管芯； 所述泵浦驱动电路与脉冲产生电路连接，用于根据脉冲产生电路产生的触发信号和预定的策略向泵浦管芯发送控制信号；所述泵浦管芯用于根据泵浦驱动电路的控制信号，在不同时段输出不同功率的泵浦光；所述泵浦合束器用于将光纤环形器输出的回波信号和泵浦光合束后输出到所述增益光纤中进行放大后输出。
本发明通过增加一级光学放大级（回波放大模块），来提高返回光信号的功率，同时本发明的回波放大模块设置不同传播距离的返回光放大倍率不同，使近距离的返回光不放大或放大倍率很小，远距离的放大倍率逐渐增高，从而提高远距离微弱信号的检测能力，从而提高激光雷达的探测距离。
具体的，本发明的工作过程如下：连续激光器输出的连续光经过光纤分束模块分为两路，一路作为信号光输出到脉冲产生器，另一路作为本振光输出（本振光也叫做参考光）。所述光纤分束模块为光纤分束器或光纤耦合器。信号光的强度要远大于本振光。连续的信号光经脉冲产生器后调制为脉冲光，然后经第一放大模块放大后输出到光纤环形器。光纤环形器包括输入端（1号端口）、收发端（2号端口）和反向输出端（3号端口）。光纤环形器的输入端用于接收第一放大模块输出的正向脉冲，收发端用于输出正向脉冲，反向输出端用于接收大气返回的回波信号。光纤环形器分离反向信号的功能同时起到了隔离器的作用。大气回波信号经反向输出端输出后，通过回波放大模块进行放大。
脉冲产生器的脉冲产生电路产生一个预定频率的电脉冲后，作用在光学开关上就能把连续光通过光学开关来切成预定频率的光脉冲，此光脉冲供主光路放大使用。泵浦光源由泵浦驱动电路和泵浦管芯组成。同时脉冲产生电路发出同步触发信号给泵浦驱动电路，告知开启工作。于是泵浦驱动电路控制泵浦管芯工作出光。泵浦管芯发出泵浦光进入泵浦合束器后，和光学环形器输出的返回光（回波信号）一起进入增益光纤，当从增益光纤输出后即被放大。最后本振光和放大后的回波信号同时进入平衡探测器中拍频，得出频率信息，实现信号中携带目标信息的提取（如大气风速、气溶胶、气体浓度等）。
本发明的回波放大模块利用拉曼放大器的原理对用于激光雷达大气回波信号进行放大。拉曼放大器是基于拉曼增益的光放大器，来自于受激拉曼散射效应。拉曼活性介质通常为光纤，也可以是晶体，在光子集成环路中的波导结构，气体或液体介质。与泵浦光束同向或者相向的信号光被放大，其波长通常比泵浦光大几十个纳米。故放大介质是传输介质本身。比如拉曼光纤放大器不像EDFA那样需要用特殊掺杂光纤作为放大介质，它的放大介质就是传输光纤本身。一种为分布式拉曼光纤放大器，所用的光纤比较长，一般为几十千米，泵源功率要降低到几百毫瓦，主要辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的提高。
光纤环形器输出的回波信号与泵浦光源产生的高能量连续激光都进入泵浦合束器从输出端输出，于是回波信号和高能量泵浦光源同路径同向传播，在介质中传播的过程中，两种光源的功率同步会进行变化，其中回波信号吸收泵浦光源的能量后，可以被进一步放大，提高微弱的回波信号的强度，增加探测距离。
光通信领域中，因为光纤纤芯是10um左右，距离长了几十公里，本身就会有很强的非线性，所以放大泵浦功率只需要几百毫瓦。本文的激光光源用于激光雷达大气探测，在大气这传输时，光束不受光纤约束，大气中的非线性非常弱，所以需要提高泵浦功率到几百瓦。
具体的，本发明所述泵浦光源的波长小于连续激光器输出的信号波长，所述泵浦光源输出的功率大于回波信号的信号功率。原则上，只要泵浦光源的输出的功率大于回波信号的信号功率即可。考虑到大气探测场景的特殊性，本发明的发明人发现，所述泵浦光源的功率为2W~1000W之间时，激光雷达大气探测效果较好，特别是对于大气中30公里以上远距离信号的探测，所述泵浦光源的功率为100W~1000W最佳。
在一个实施例中，所述泵浦光源与泵浦合束器通过光纤连接。泵浦光源与泵浦合束器之间可采用光纤连接，也可仅进行空间传输。但通过光纤连接传输效率更佳。
在一个实施例中，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；所述脉冲产生器输出的脉冲宽度为0.1纳秒-2000纳秒。
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。
拉曼散射本身作为一种非线性效应对系统有害，但本发明巧妙地利用它使泵浦光能量向在大气中传输的光信号转移，实现对光信号的放大。
通过适当的选择泵浦光的发射波长，就可以使其放大范围落入我们希望的光波长区域。本发明中，所述泵浦光源的波长与连续激光器输出的信号波长差值为70~100nm。
例如，当连续激光器输出的波长为1310nm时，泵浦光的发射波长为1240nm；选择泵浦光的波长为1450nm时，可对1550nm波长C波段的光信号进行放大；选择泵浦光的发射波长为1480nm时，即可对1550nm波长的L波段的光信号进行放大。
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，第一放大模块包括至少一个光学放大器，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，每个所述光学放大器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。每个光学放大器输出的激光单脉冲能量为0.1微焦~2000微焦。
特别的，在弱信号检测的应用场景中（如大气探测，风速探测、气溶胶探测、气体探测），每个光学放大器模块输出的激光单脉冲能量为0.1微焦~150微焦。
在一个实施例中，所述第一放大模块输出的激光光谱线宽小于10MHz。
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。
进一步的，所述脉冲产生器为机械调制器、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。
待测介质为大气，包括空气、气溶胶、真空中的一种或几种。待测介质为激光雷达的待测介质。
进一步的，所述泵浦光源的波长小于连续激光器输出的信号波长，所述泵浦光源输出的功率大于回波信号的信号功率。
所述泵浦光源的功率为2W~1000W；所述泵浦光源与泵浦合束器通过光纤连接。
进一步的，所述泵浦合束器为波分复用器件、光纤耦合器、偏振合束器中的一种或几种。
本发明的发明人经过深入研究发现：不同距离的返回光衰减比例差距会很大，如果按同样的放大倍率进行放大显然是不能满足微弱信号的检测要求。为了解决上述问题，本发明采用分时段不同倍率来放大，稍近距离的回波信号无需放大或小幅度放大，中等距离的回波信号选用低倍率放大，远距离的回波信号采样高倍率放大。这样既不会超过平衡探测器的耐受功率，不损坏平衡探测器，也能将远处的微弱信号放大到可检测的量级，从而提升探测距离。
具体的，所述泵浦驱动电路与脉冲产生电路连接，用于根据脉冲产生电路产生的触发信号和预定的策略向泵浦管芯发送控制信号，所述泵浦管芯用于根据泵浦驱动电路的控制信号，在不同时段输出不同功率的泵浦光；包括：
步骤1、脉冲产生器产生一个脉冲后产生一个触发信号；
步骤2、泵浦驱动电路在接收到每个触发信号后，在对应的每个脉冲周期T 1 内，向泵浦管芯发送预定的控制信号；
步骤3、泵浦管芯根据所述控制信号在对应的每个脉冲周期T 1 内不同时段输出不同功率的泵浦光。
本发明中，回波信号也称为返回光、回返光等。
为了更好的理解本发明，下面举例阐述。
连续激光器产生窄线宽的保偏连续激光，如线宽5kHz、功率50mW，经过10/90耦合器后输出约5mW的作为本振光，剩下的约45mW进入脉冲产生器（一般使用声光调制器AOM）形成脉冲波形，输出激光参数为线宽5kHz、功率20uW，重复频率5kHz，脉宽200ns，单脉冲能量4nJ。第一放大模块包括三级光学放大器，通过第一放大模块的前两级光学放大器放大后输出参数为0.4uJ、2mW，通过最后一级光学放大器放大输出为300uJ、1.5W。继续通过光纤环形器端口1，从环形器端口2输出参数为200uJ、1W，再通过准直系统如望远镜等射入到空气场中。反射后的回波信号再反向通过望远系统并反向进入单级放大器即回波放大模块中。对回波信号放大理论上是可以延长探测距离，但实际上最大的返回光是激光器输出端面和望远镜镜片的返回光，这种返回光并不带有任何被测介质的频率信息，所以要滤除后放大，本发明是根据返回时间来选择性滤除。
图2为一个原始回波信号的示意图。以脉冲重复频率f 1 =5000Hz，脉冲周期T 1 =1/ f 1 =0.2ms=200us为例。从图2中可见，回波信号在一个脉冲周期内，随着时间迅速衰减，在0.5 T 1 即100us左右，几乎衰减殆尽。
在回光（回波信号）不放大时，100us后的回光就低于阈值而无法探测到了。100us对应的距离是30公里，即往返15公里。在回光放大时，200us对应的距离是60公里，即往返30公里，故探测距离大大增加。并且在近距离时，对回光不放大是最优选择。
对回波放大模块的单级放大器进行拆分，是由泵浦光源和放大链路组成，脉冲产生器给泵浦光源提供触发控制，泵浦光源给放大链路提供所需能量，放大链路对返回光进行放大。
对单级放大器工作及前后逻辑进行进一步介绍。脉冲产生器由脉冲产生电路和光学开关组成，当脉冲产生电路产生了5kHz，200ns的电脉冲后，作用在光学开关上就能把连续光通过光学开关来切成5kHz，200ns的光脉冲，此光脉冲供主光路放大使用。泵浦光源由泵浦驱动电路和泵浦管芯组成。同时脉冲产生电路发出同步触发信号给泵浦驱动电路，告知开启工作。于是泵浦驱动电路控制泵浦管芯工作出光。泵浦管芯发出泵浦光进入泵浦合束器后，和返回光一起进入增益光纤，当从增益光纤输出后即被放大。
图3和图4为一个场景中，泵浦光功率的示意图。其中，图3为一个周期内的具体示例，图4为多个周期的示例。
具体的，所述回波放大模块用于对不同时段的回波信号以不同的倍率进行放大；包括：
在对应的每个脉冲周期T 1 内：
在0~T 10 时间内，例如0~100us内，泵浦管芯输出的泵浦光功率为第一功率P 1 ；其中，第一功率P 1 =0，或者，第一功率P 1≈ 0。进而，回波放大模块对回波信号的放大倍率为0或接近于0。
在T 10 ~T 20 时间内，例如100us~150us内，泵浦管芯输出的泵浦光功率为第二功率P 2 ；回波放大模块对回波信号的放大倍率为A1；其中，T 10 ＜T 20 ＜T 1 ；A1可以是100倍，即20dB。
在T 20 ~T 1 时间内，泵浦管芯输出的泵浦光功率为第三功率P 3 ；回波放大模块对回波信号的放大倍率为A2，A2可以是10000倍，即40dB。
如图3所示，在一个周期（200us）内，脉冲产生器产生一个脉冲后即产生一个触发信号，泵浦光源开始工作，在前100us中泵浦光源能量较低，只能维持返回光无损耗通过；在100-150us中泵浦光源能量适中，能提供将返回光20db的放大；在150-200us中泵浦光源能量较大，能提供将返回光进行40db放大。
如图4所示，是对整个探测的时间段泵浦光源的控制。对于5kHz的重频脉冲光，每个脉冲周期（也称为脉冲间隔）为200us，故重复进行泵浦光源的控制，确保每个脉冲射出后，在前100us中泵浦光源能量较低，只能维持返回光无损耗通过；在100-150us中泵浦光源能量适中，能提供将返回光20db的放大；在150-200us中泵浦光源能量较大，能提供将返回光进行40db放大。
图5为放大后的回波信号的示意图。从图5可见，不同距离处的回波信号均可放大到相同量级。
采用本发明的方案，越小的信号放大倍率越高，原本在100us后就无法探测回波信号都可以检测到。若原本只能检测100us内的信号，对应的探测距离为20km，则采样本发明的方案可以提高一倍的探测距离，即能够探测到40km的距离。因此，本发明能有效提高微弱信号的检测能力，从而大幅提高相干激光雷达的探测距离。
图6和图7为另外一个场景中，泵浦光功率的示意图。其中，图6为一个周期内的具体示例，图7为多个周期的示例。
仍然以脉冲重复频率f 1 =5000Hz，脉冲周期T 1 =1/ f 1 =0.2ms=200us为例。
连续激光器产生窄线宽的保偏连续激光，如线宽5kHz、功率50mW，经过10/90耦合器后输出约5mW的作为本振光，剩下的约45mW进入脉冲产生器（一般使用声光调制器AOM）形成脉冲波形，输出激光参数为线宽5kHz、功率20uW，重复频率5kHz，脉宽200ns，单脉冲能量4nJ。第一放大模块包括三级光学放大器，通过第一放大模块的前两级光学放大器放大后输出参数为0.4uJ、2mW，通过最后一级光学放大器放大输出为300uJ、1.5W。继续通过光纤环形器端口1，从环形器端口2输出参数为200uJ、1W，再通过准直系统如望远镜等射入到空气场中。反射后的回波信号再反向通过望远系统并反向进入单级放大器即回波放大模块中。
所述回波放大模块用于对不同时段的回波信号以不同的倍率进行放大；包括：
在对应的每个脉冲周期T 1 内，分为N个时间段：例如N=11；
在第n个T 1 /N时间内，泵浦管芯输出的泵浦光功率为（n-1)×P 4 /N，回波放大模块对回波信号的放大倍率为（n-1)×A 4 /N；其中，N为自然数，N＞3；n∈[1,N]；P 4 为预设的第四功率；A 4 为预设的第四放大倍率。例如，A 4 可以是40dB。
如图5所示，在一个周期T 1 =200us内，脉冲产生器产生一个脉冲后即产生一个触发信号，泵浦光源开始工作，在第1个单位时间内（如20us）中泵浦光源能量较低，只能维持返回光无损耗通过；在第二个单位时间（如20us）内中泵浦光源能量适量增加，能提供将返回光40*1/10=4dB的放大；在第11个单位中泵浦光源能量较大，能提供将返回光进行40dB放大。
如图6所示，是对整个探测的时间段泵浦光源的控制。对于5kHz的重频脉冲光，每个脉冲间隔是200us，故重复进行泵浦光源的控制，确保每个脉冲射出后，在第1个单位时间内中泵浦光源能量较低，只能维持返回光无损耗通过；在第二个单位时间内中泵浦光源能量适量增加，能提供将返回光4dB的放大；在第11个单位中泵浦光源能量较大，能提供将返回光进行40dB放大。
图8和图9为另外一个场景中，泵浦光功率的示意图。其中，图8为一个周期内的具体示例，图9为多个周期的示例。
仍然以脉冲重复频率f 1 =5000Hz，脉冲周期T 1 =1/ f 1 =0.2ms=200us为例。
连续激光器产生窄线宽的保偏连续激光，如线宽5kHz、功率50mW，经过10/90耦合器后输出约5mW的作为本振光，剩下的约45mW进入脉冲产生器（一般使用声光调制器AOM）形成脉冲波形，输出激光参数为线宽5kHz、功率20uW，重复频率5kHz，脉宽200ns，单脉冲能量4nJ。第一放大模块包括三级光学放大器，通过第一放大模块的前两级光学放大器放大后输出参数为0.4uJ、2mW，通过最后一级光学放大器放大输出为300uJ、1.5W。继续通过光纤环形器端口1，从环形器端口2输出参数为200uJ、1W，再通过准直系统如望远镜等射入到空气场中。反射后的回波信号再反向通过望远系统并反向进入单级放大器即回波放大模块中。
所述回波放大模块用于对不同时段的回波信号以不同的倍率进行放大；包括：
在对应的每个脉冲周期T 1 内；
在t时刻，泵浦管芯输出的泵浦光功率为P(t)=t×P max /T 1 ；回波放大模块对回波信号的放大倍率为A(t)=t×A max /T 1 ；其中t为每个脉冲周期T 1 内的任一时刻，t∈[0, T 1 ]；P max 为预设的最大功率；A max 为预设的最大放大倍率。例如，A max 可以是40dB。
如图8，在一个周期内，脉冲产生器产生一个脉冲后即产生一个触发信号，泵浦光源开始工作，在t=0时刻中泵浦光源能量较低，只能维持返回光无损耗通过；随后缓慢增加，按P(t)=t×P max /T 1 进行线性增加，直到t=200us时，泵浦光源能量最大即P max ，能提供将返回光进行40db放大。
如图9，是对整个探测的时间段泵浦光源的控制。对于5kHz的重频脉冲光，每个脉冲间隔是200us，故重复进行泵浦光源的控制，确保每个脉冲射出后，在一个周期内，脉冲产生器产生一个脉冲后即产生一个触发信号，泵浦光源开始工作，在t=0时刻中泵浦光源能量较低，只能维持返回光无损耗通过；随后缓慢增加，直到t=200us时，泵浦光源能量最大，能提供将返回光进行40db放大。
本发明是通过增加光学放大级来增加被探测信号能量，从而实现提升探测距离。本发明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。
本发明不是通过简单的增加光学放大级来提升被探测信号能量，而是通过时延分段给与不同的泵浦能量，从而使远距离放大倍率更高，近距离不放大，最终放大后的回波信号均在相当的量级，更容易提取，且分级放大能够有效避免近距离强信号对探测器造成的损坏。
本发明控制泵浦光源的输出由激光器内部脉冲产生器提供触发信号，不增加其他模块，从而降低成本。
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回波信号分时放大激光器，其特征在于，包括：连续激光器、光纤分束模块、脉冲产生器、第一放大模块、光纤环形器、回波放大模块；
其中，所述连续激光器用于输出预定波长的连续的激光信号；
光纤分束模块用于将连续激光器输出的信号按照预定比例分为两路，其中一路作为信号光输出到脉冲产生器，另一路作为本振光；
所述脉冲产生器用于将输入的连续激光信号调制为脉冲光信号；所述脉冲产生器包括脉冲产生电路和光学开关，所述脉冲产生电路用于产生预定的脉冲重复频率f 1 、脉冲周期T 1 的电脉冲信号，所述光学开关用于根据脉冲产生电路产生的电脉冲信号将输入的连续激光信号调制为脉冲光信号；其中，f 1 =1/T 1 ；
第一放大模块用于将脉冲产生器输出的脉冲光信号进行放大；
所述光纤环形器用于将第一放大模块输出的脉冲信号输出，并用于接收包含待测目标物信息的回波信号并单独输出所述回波信号；
所述回波放大模块用于对不同时段的回波信号以不同的倍率进行放大；
所述回波放大模块包括泵浦光源、泵浦合束器和增益光纤；
所述泵浦光源用于产生连续的泵浦光；所述泵浦光源包括泵浦驱动电路和泵浦管芯；
所述泵浦驱动电路与脉冲产生电路连接，用于根据脉冲产生电路产生的触发信号和预定的策略向泵浦管芯发送控制信号；所述泵浦管芯用于根据泵浦驱动电路的控制信号，在不同时段输出不同功率的泵浦光；
所述泵浦合束器用于将光纤环形器输出的回波信号和泵浦光合束后输出到所述增益光纤中进行放大。
2.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的回波信号分时放大激光器，其特征在于，所述泵浦驱动电路与脉冲产生电路连接，用于根据脉冲产生电路产生的触发信号和预定的策略向泵浦管芯发送控制信号，所述泵浦管芯用于根据泵浦驱动电路的控制信号，在不同时段输出不同功率的泵浦光；包括：
脉冲产生器产生一个脉冲后产生一个触发信号；
泵浦驱动电路在接收到每个触发信号后，在对应的每个脉冲周期T 1 内，向泵浦管芯发送预定的控制信号；
泵浦管芯根据所述控制信号在对应的每个脉冲周期T 1 内不同时段输出不同功率的泵浦光。
3.根据权利要求2所述的一种用于相干激光雷达的回波信号分时放大激光器，其特征在于，所述回波放大模块用于对不同时段的回波信号以不同的倍率进行放大；包括：
在对应的每个脉冲周期T 1 内：
在0~T 10 时间内，泵浦管芯输出的泵浦光功率为第一功率P 1 ；回波放大模块对回波信号的放大倍率为0；其中，0＜T 10 ＜T 1 ；
在T 10 ~T 20 时间内，泵浦管芯输出的泵浦光功率为第二功率P 2 ；回波放大模块对回波信号的放大倍率为A1；其中，T 10 ＜T 20 ＜T 1 ；
在T 20 ~T 1 时间内，泵浦管芯输出的泵浦光功率为第三功率P 3 ；回波放大模块对回波信号的放大倍率为A2。
4.根据权利要求2所述的一种用于相干激光雷达的回波信号分时放大激光器，其特征在于，所述回波放大模块用于对不同时段的回波信号以不同的倍率进行放大；包括：
在对应的每个脉冲周期T 1 内，分为N个时间段：
在第n个T 1 /N时间内，泵浦管芯输出的泵浦光功率为（n-1)×P 4 /N，回波放大模块对回波信号的放大倍率为（n-1)×A 4 /N；其中，N为自然数，N＞3；n∈[1,N]；P 4 为预设的第四功率；A 4 为预设的第四放大倍率。
5.根据权利要求2所述的一种用于相干激光雷达的回波信号分时放大激光器，其特征在于，所述回波放大模块用于对不同时段的回波信号以不同的倍率进行放大；包括：
在对应的每个脉冲周期T 1 内；
在t时刻，泵浦管芯输出的泵浦光功率为P(t)=t×P max /T 1 ；回波放大模块对回波信号的放大倍率为A(t)=t×A max /T 1 ；其中t为每个脉冲周期T 1 内的任一时刻，t∈[0, T 1 ]；P max 为预设的最大功率；A max 为预设的最大放大倍率。
6.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的回波信号分时放大激光器，其特征在于，所述脉冲产生器为机械调制器、声光调制器、电光调制器或磁光调制器。
7.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的回波信号分时放大激光器，其特征在于，所述泵浦光源的波长小于连续激光器输出的信号波长，所述泵浦光源输出的功率大于回波信号的信号功率。
8.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的回波信号分时放大激光器，其特征在于，所述泵浦光源的功率为2W~1000W；所述泵浦光源与泵浦合束器通过光纤连接；所述泵浦光源的波长与连续激光器输出的信号波长差值为70~700nm。
9.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的回波信号分时放大激光器，其特征在于，所述泵浦合束器为波分复用器件、光纤耦合器、偏振合束器中的一种或几种。
10.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的回波信号分时放大激光器，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。
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