CN116316021A - 一种用于相干激光雷达的脉冲激光器 - Google Patents

一种用于相干激光雷达的脉冲激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于相干激光雷达的脉冲激光器。通过设计一种光缓释器，用来记录保存之前发射的光源信息，即使光源发生抖动等其他不稳定现象，在拍频时不是取用当前本振光进行拍频，而是采用同一时刻光源发出的光信号进行拍频，因此可以大幅降低激光雷达对光源稳定性的要求，无论光源如何抖动，对探测结果真实性不产生任何不利影响。使用低成本的，稳定性不是很好的光源也能够实现相干探测，从而大幅降低整个相干激光雷达光源的成本，提高相干激光雷达光源的稳定性。

Description

一种用于相干激光雷达的脉冲激光器
技术领域
本发明涉及激光器，尤其涉及一种用于相干激光雷达的脉冲激光器。
背景技术
激光雷达(Laser detection and ranging，LiDAR)是一种使用激光进行成像、侦查和测距的主动遥感技术，具有分辨力高、精度高、设备轻巧、抗干扰能力强等优势。继1960年激光发明之后，雷达(radio detection and ranging，Radar)的工作波段和技术很快就被研究者们从微波波段迁移到了光波波段。相比于传统的微波雷达技术，激光雷达工作在波长更短的光频波段，这使得激光雷达出射波束可以实现更小的发散角与更好的方向性，而更短的工作波长也使雷达探测时可实现的距离分辨力与角分辨力大大提高。激光雷达探测时可获得目标距离、速度、反射率等丰富信息，获取的三维点云数据通常被用于生成高分辨力三维地图或者三维模型，被广泛应用于测绘学、地形学、林业学、大气物理、激光制导、航空航天、深空探测和无人驾驶等领域。
目前激光雷达的检测机制主要分为两种：非相干检测与相干检测。非相干检测也被称为直接检测，通过直接测量反射光信号强度的变化实现探测，由于探测方式较为简单直接，广泛应用于飞行时间(time of flight,TOF)激光雷达或调幅连续波激光雷达。相干检测使用外差检测的方法，通过测量回波信号与本振信号的频率或相位差实现探测。目前主流的相干检测雷达包括频率调制连续波(frequency modulation continuous wave，FMCW)激光雷达与多普勒测速激光雷达。外差检测方式相比于直接检测方式具有更高的灵敏度，这令相干检测型激光雷达可以工作在更低的发射功率下。
根据调谐器件与激光器的关系，目前实现激光载波频率调制的方法可以分为内调制技术和外调制技术两种。内调制技术是指调制过程与激光振荡建立同时进行的调制技术，通过调制改变激光腔的谐振参数，从而实现激光器输出频率的变化，主要包括调制谐振腔的光学长度或改变腔内的增益损耗谱位置等方式；外调制技术是指在激光振荡建立之后，在激光出射的光路上使用调制器对光场参数进行调制的技术。
本发明的发明人研究后发现：调谐性好的光源大多不够稳定，稳定的光源大多不能宽可调谐。从调制方式的角度而言，内调制方式由于直接改变谐振腔参数，获得大调谐范围相对容易，但是由于激光建立时间的存在会造成输出调频光的瞬时线宽比较宽，导致光源相干长度的减少；或者为了建立起稳定光场就必须限制调谐速率。外调制方式通过声光效应等调谐机制能够在保持种子光的优异特性的同时快速改变光场的瞬时频率，但是由于声光效应本身的工作带宽有限，限制了光源调谐范围的增加，即限制了该系统可实现的最高分辨力。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于相干激光雷达的脉冲激光器，通过设计一种光缓释器，用来记录保存之前发射的光源信息，即使光源发生抖动等其他不稳定现象，在拍频时不是取用当前本振光进行拍频，而是同一时刻光源发出的光信号进行拍频，因此可以使用不稳定光源来实现相干探测。
一种用于相干激光雷达的脉冲激光器，包括：调制脉冲光源、主耦合器，放大器，光缓释器和环形器；其中，
调制脉冲光源用来产生脉冲光信号；
所述主耦合器用于将调制脉冲光源输出的信号分为两路，一路作为探测光输出到放大器，一路脉冲光信号输出到缓释器；
所述放大器用于将主耦合器输出的探测光进行放大后输出到所述环形器；
所述环形器用于输出探测光信号，并将接收到的返回光信号从另一端输出；
所述光缓释器用于接收主耦合器输出的脉冲光，对每个接收到的脉冲进行记忆，在一个脉冲周期内，将脉冲分成N份，以预定的时间间隔在不同的时刻离散射出形成准本振光；其中，N为自然数，N≥10；当一个脉冲周期结束后，光缓释器清空所有能量，等待接收下个周期的光脉冲注入；
所述光缓释器的输出端输出的信号作为本振光，用于与环形器输出的回波信号进行拍频。
进一步的，所述光缓释器为线性光缓释器；线性光缓释器包括N段光纤、N个耦合器和合束器；
合束器包括N个输入端，一个输出端；
每个耦合器用于将脉冲光信号分为两路输出，每个耦合器包括一个输入端和两个输出端；其中，分光较小的部分与合束器的一个输入端通过一段光纤连接；分光较大的部分与下个耦合器的输入端连接；合束器的输出端为光缓释器的输出端。
进一步的，每段光纤的长度为L1，L1＝(2S×n被测)/(N×n光纤)；其中，S为相干激光雷达的探测距离，n被测为被测物体的折射率；n光纤为光纤的折射率；N为探测点数，代表将整个探测距离分为N段。
进一步的，所述光缓释器为环形光缓释器；环形光缓释器包括耦合器和环状结构，环状结构包括两段光纤和光开关；
耦合器包括两个输入端和两个输出端，其中一个输入端用于接收脉冲光信号，另一输入端通过一段光纤与光开关的一端连接；
耦合器两个输出端中，分光较大的部分与光开关的另一端通过另一段光纤连接；
耦合器的分光较小的部分作为光缓释器的输出端；
当光缓释器接收到脉冲光信号时，光开关为常闭状态；直到从S位置返回的回波信号被采集后，打开光开关，将环状结构内的脉冲释放后关闭，并等待下一个光脉冲进入；S为相干激光雷达的探测距离。
进一步的，两段光纤的长度之和为L2，L2＝(2S×n被测)/(N×n光纤)；其中，S为相干激光雷达的探测距离，n被测为被测物体的折射率；n光纤为光纤的折射率；N为探测点数，代表将整个探测距离分为N段。
进一步的，光缓释器为线性反射式光缓释器；线性反射式光缓释器包括第二环形器、光纤光栅、光开关、传导光纤及反射镜；
第二环形器包括输入端、收发端和输出端，第二环形器的输入端用于接收脉冲光信号，收发端与光纤光栅连接，光纤光栅与光开关、传导光纤依次连接；第二环形器的输出端作为光缓释器的输出端；
接收到的脉冲光信号经第二环形器的收发端传输到光纤光栅；
所述光纤光栅为全通高反型光纤光栅，用于使第二环形器输出的信号全部通过，且使得从光开关方向返回的信号以预定的透过率T部分透过，透过率T≤10％；
反射镜用于将光纤输出的信号反射回去，反射的信号依次经传导光纤、光开关、光纤光栅和第二环形器后，从第二环形器的输出端输出；
当光缓释器接收到脉冲光信号时，光开关为常闭状态；直到从S位置返回的回波信号被采集后，打开光开关，将光缓释器的脉冲释放后关闭，并等待下一个光脉冲进入；S为相干激光雷达的探测距离。
进一步的，光缓释器为线性反射式光缓释器；线性反射式光缓释器包括隔离器、2×1型耦合器、光纤光栅、光开关、传导光纤及反射镜；
2×1型耦合器包括两个输入端一个输出端；
隔离器的一个输出端用于接收脉冲光信号，输出端与2×1型耦合器的一个输入端连接；隔离器用于将脉冲光信号传输到2×1型耦合器，并隔离从2×1型耦合器返回的信号；
2×1型耦合器的一个输出端与光纤光栅连接，另一输入端作为光缓释器的输出端；2×1型耦合器的输出端与光纤光栅、光开关、传导光纤依次连接；
隔离器接收到的脉冲光信号经2×1型耦合器传输到光纤光栅；
所述光纤光栅为全通高反型光纤光栅，用于使2×1型耦合器输出的信号全部通过，且使得从光开关方向返回的信号以预定的透过率T部分透过，透过率T≤10％；
反射镜用于将光纤输出的信号反射回去，反射的信号依次经传导光纤、光开关、光纤光栅和2×1型耦合器后，从2×1型耦合器的另一输入端输出；
当光缓释器接收到脉冲光信号时，光开关为常闭状态；直到从S位置返回的回波信号被采集后，打开光开关，将光缓释器的脉冲释放后关闭，并等待下一个光脉冲进入；S为相干激光雷达的探测距离。
进一步的，传导光纤的长度为L3，L3＝(S×n被测)/(N×n光纤)；其中，S为相干激光雷达的探测距离，n被测为被测物体的折射率；n光纤为光纤的折射率；N为探测点数，代表将整个探测距离分为N段。
进一步的，光缓释器为空间线性反射式光缓释器，空间线性反射式光缓释器包括第一准直器、第二准直器、偏振分束器PBS、1/4玻片、光开关、全通高反镜及反射镜；
所述第一准直镜与主耦合器连接，用于接收脉冲光信号，并将接收到的信号转化为空间光信号；
空间光信号通过偏振分束器PBS后分成两束，其中一束依次通过1/4玻片、光开关、全通高反镜及反射镜后返回，返回的光信号经过全通高反镜、光开关、1/4玻片、偏振分束器PBS后从偏振分束器的另一输出端口输出到第二准直镜，第二准直镜的输出端作为光缓释器的输出端；
所述全通高反镜用于使1/4玻片方向传来的信号全部通过，且使得从光开关返回的信号以预定的透过率T部分透过，透过率T≤10％；
反射镜用于将光纤输出的信号反射回去；
当光缓释器接收到脉冲光信号时，光开关为常闭状态；直到从S位置返回的回波信号被采集后，打开光开关，将光缓释器的脉冲释放后关闭，并等待下一个光脉冲进入；S为相干激光雷达的探测距离。
进一步的，所述光开关与反射镜直接的距离为L4，L4＝(S×n被测)/N；其中，S为相干激光雷达的探测距离，n被测为被测物体的折射率；N为探测点数，代表将整个探测距离分为N段。
本发明公开了一种用于相干激光雷达的脉冲激光器。通过设计一种光缓释器，用来记录保存之前发射的光源信息，即使光源发生抖动等其他不稳定现象，在拍频时不是取用当前本振光进行拍频，而是采用同一时刻光源发出的光信号进行拍频，因此可以大幅降低激光雷达对光源稳定性的要求，无论光源如何抖动，对探测结果真实性不产生任何不利影响。使用低成本的，稳定性不是很好的光源也能够实现相干探测，从而大幅降低整个相干激光雷达光源的成本，提高相干激光雷达光源的稳定性。
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。
图1是本发明实施例提供的一种用于相干激光雷达的脉冲激光器的示意图；
图2是本发明实施例提供的光缓释器的原理图；
图3是本发明实施例提供的线性光缓释器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的环形光缓释器的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的线性反射式光缓释器的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的线性反射式光缓释器的又一结构示意图；
图7是本发明实施例提供的空间线性反射式光缓释器的又一结构示意图。
具体实施方式
下面将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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1所示，本发明公开了一种用于相干激光雷达的脉冲激光器，包括：调制脉冲光源、主耦合器，放大器，光缓释器和环形器；其中，
调制脉冲光源用来产生脉冲光信号；
所述主耦合器用于将调制脉冲光源输出的信号分为两路，一路作为探测光输出到放大器，一路脉冲光信号输出到缓释器；
所述放大器用于将主耦合器输出的探测光进行放大后输出到所述环形器；
所述环形器用于输出探测光信号，并将接收到的返回光信号从另一端输出；
所述光缓释器用于接收主耦合器输出的脉冲光，对每个接收到的脉冲进行记忆，在一个脉冲周期内，将脉冲分成N份，以预定的时间间隔在不同的时刻离散射出形成准本振光；其中，N为自然数，N≥10；当一个脉冲周期结束后，光缓释器清空所有能量，等待接收下个周期的光脉冲注入。
所述光缓释器的输出端输出的信号作为本振光，用于与环形器输出的回波信号进行拍频。
具体的，在一个实施例中，光源部分包括调制脉冲光源，主耦合器，放大器，光缓释器和环形器。调制脉冲光源用来产生脉冲光信号，当一个脉冲形成后，通过主耦合器后大部分能量(优选的，大于80％)进入放大器进行能量放大，然后进入环形器后从端口b射出，探测目标物体后被反射回来后进入端口b后从端口c输出，形成返回光。在主耦合器另外一路输出的该光脉冲的小部分能量，将进入光缓释器中，该光脉冲被记忆后，分成若干份后并且按不同的时间离散射出形成本振光。那么本振光和出射光是完全同一时刻的脉冲信号，具有相同的光学参数。因此当调制脉冲光源因为调制的作用而产生光学性能不稳定的现象，也不会对实际测量产生任何副作用。又因为，如果被探测物体是大气或者液体等半透明物质时，探测光在探测传输路径上不停的会被反射，所以对本振光进行离散分时段输出，能够和不同时刻反射光进行拍频，并且本振光和探测光是同一个母脉冲形成的，因此测量准确度大大提高。当一个脉冲周期结束后，光缓释器将清空所有记忆，准备记忆下一个脉冲的光学信号。
下面对本发明光缓释器的原理进行说明。
如图2上部所示，光缓释器有一个输入端，一个输出端，其作用是在某时刻接收到光脉冲后，会将大部分能量不均等分成若干小能量的脉冲，并在均等的时间间隔后一个一个射出，并在一个脉冲间隔时间后清空其内的光脉冲，等待下一个脉冲进入。
图2下部是对光缓释器的内部的能量变化图示出来。一个脉冲周期内时间均等分成N个，每到一个时间释放一小部分能量，其内部能量逐渐减小。到了第N个或者第N的倍数个，其内部能量一次性全部清空，然后等下个周期的光脉冲注入。依次循环下去。
在一个实施例中，如图3所示，所述光缓释器为线性光缓释器；线性光缓释器包括N段光纤、N个耦合器和合束器。
合束器包括N个输入端，一个输出端；
每个耦合器用于将脉冲光信号分为两路输出，每个耦合器包括一个输入端和两个输出端；其中，分光较小的部分与合束器的一个输入端通过一段光纤连接；分光较大的部分与下个耦合器的输入端连接；合束器的输出端为光缓释器的输出端。
每段光纤的长度为L1，L1＝(2S×n被测)/(N×n光纤)；其中，S为相干激光雷达的探测距离，n被测为被测物体的折射率；n光纤为光纤的折射率；N为探测点数，代表将整个探测距离分为N段。
具体的，在一个应用场景中，光缓释器由N段光纤，N个耦合器，分光比例为1:99，以及合束器组成。假设S为探测距离，那么S×n被测/n光纤为光缓释器实际光纤长度；假设S距离内需要探测的点数为N，那么每段光纤的长度为L1，L1＝(2S×n被测)/(N×n光纤)，因为探测光到达第一个点时被反射后又往回传输相同距离。因此探测光探测第一个点到这个探测光返回激光器中所需的时间与小脉冲传输第一段距离到耦合输出时间相同。
当耦合器分出的小能量的脉冲光后，从输入位置进入光缓释器，经过第一段光纤后到达第一个耦合器，分出1％脉冲光进入合束器，然后从输出位置输出形成本振光。此时从S/N位置返回的探测光同时到达，在平衡探测器进行拍频。剩下的99％脉冲光进入第二段光纤后到达第二个耦合器，继续分出1％(即0.99％)脉冲光进入合束器，然后从输出位置输出形成本振光。此时从2×S/N位置返回的探测光同时到达，在平衡探测器进行拍频。同理，剩下的脉冲光继续通过后面的N-2段光纤，产生的本振光依次和不同距离返回光进行拍频。剩余能量的脉冲光从第N个耦合器输出损耗掉。这样就完成一次探测返回和拍频的过程。第二个脉冲将重复这样的过程进行。
如图4所示，在一个实施例中，所述光缓释器为环形光缓释器；环形光缓释器包括耦合器和环状结构，环状结构包括两段光纤和光开关11；
耦合器包括两个输入端和两个输出端，其中一个输入端用于接收脉冲光信号，另一输入端通过一段光纤与光开关11的一端连接；
耦合器两个输出端中，分光较大的部分与光开关11的另一端通过另一段光纤连接；
耦合器的分光较小的部分作为光缓释器的输出端；
当光缓释器接收到脉冲光信号时，光开关11为常闭状态；直到从S位置返回的回波信号被采集后，打开光开关11，将环状结构内的脉冲释放后关闭，并等待下一个光脉冲进入；S为相干激光雷达的探测距离。
在一个实施例中，两段光纤的长度之和为L2，L2＝(2S×n被测)/(N×n光纤)；其中，S为相干激光雷达的探测距离，n被测为被测物体的折射率；n光纤为光纤的折射率；N为探测点数，代表将整个探测距离分为N段。
具体的，在一个应用场景中，如图4，光缓释器由耦合器、光纤和光开关11组成。当一个光脉冲从输入位置进入到耦合器中，其中1％的能量从输出位置输出到平衡探测器，此时探测信号也刚刚射出，故无探测信号返回，故平衡探测器无拍频信号。S为探测距离，n被测为被测物体的折射率，n光纤为光纤纤芯折射率，N为探测点数，即将整个探测距离分为N段。光脉冲的99％能量从另外的分支射出进入到光纤中，光纤长度为(2S×n被测)/(N×n光纤)。此时光开关11为常闭状态，光脉冲随后进入耦合器。然后从耦合器中输出1％能量(即0.99％)进入平衡探测器中，与S/N位置返回的探测信号进行拍频，故采集到了第一个点的信号。然后继续剩下的99％的能量又一次通过光纤和光开光到达耦合器，并且输出1％能量与2×S/N位置返回的探测信号进行拍频，故采集到了第二个点的信号。因此重复上述过程，直到S位置的信号被采集后，光开关11打开，将环状结构内的脉冲释放后关闭。并等待第二个光脉冲进入和重复以上过程。
本发明采用环形光缓释器时，通过环状结构来实现光路复用，极大的简化了光路，降低成本，提高系统效率。当N非常大，例如N＝10000时，若采用线性光缓释器，需要10000条光纤和10000个耦合器，需要1×10000的合束器(合束器N值越大，制造难度越大，成本越高。)，成本非常高。
本发明采用环形结构时，仅仅采用一个耦合器和两段光纤，光线在光纤和耦合器之间反复循环，复用现有的光路，不管需要多少采样点，都是一样的成本。不需要增加光纤和其他光学器件，理论上就可以实现N值的无限大，从而有利于同一成本下提升采样精度。
如图5所示，在一个实施例中，光缓释器为线性反射式光缓释器；线性反射式光缓释器包括第二环形器、光纤光栅10、光开关11、传导光纤及反射镜12；
第二环形器包括输入端、收发端和输出端，第二环形器的输入端用于接收脉冲光信号，收发端与光纤光栅10连接，光纤光栅10与光开关11、传导光纤依次连接；第二环形器的输出端作为光缓释器的输出端；
接收到的脉冲光信号经第二环形器的收发端传输到光纤光栅10；
所述光纤光栅10为全通高反型光纤光栅10，用于使第二环形器输出的信号全部通过，且使得从光开关11方向返回的信号以预定的透过率T部分透过，透过率T≤10％；
反射镜12用于将光纤输出的信号反射回去，反射的信号依次经传导光纤、光开关11、光纤光栅10和第二环形器后，从第二环形器的输出端输出；
当光缓释器接收到脉冲光信号时，光开关11为常闭状态；直到从S位置返回的回波信号被采集后，打开光开关11，将光缓释器的脉冲释放后关闭，并等待下一个光脉冲进入；S为相干激光雷达的探测距离。
光缓释器由第二环形器、光纤光栅10、光开关11、传导光纤及反射镜12组成。其中光纤光栅10为全通高反型，即从左到右为全通，从右到左为透射1％，反射99％；传导光纤长度为(S×n被测)/(N×n光纤)。
当一个光脉冲从输入位置射入光缓释器中，从第二环形器端口1进入，从第二环形器端口2射出，全部能量通过光纤光栅10后继续通过状态为常闭的光开关11，然后进入长度为(S×n被测)/(N×n光纤)的传导光纤中，随后通过反射镜12返回，并再次通过传导光纤。该光脉冲继续通过状态为常闭的光开关11后达到光纤光栅10，其中1％的能量透射出去，通过第二环形器端口二后从端口三射出，与S/N位置返回的探测信号进行拍频，故采集到了第一个点的信号。该光脉冲另外99％的能量被光纤光栅10反射，通过状态为常闭的光开关11后继续通过传导光纤，到达反射镜12后被全反射。然后再一次通过传导光纤和光开关11后到达光纤光栅10，其中1％的能量再次透射出去，通过第二环形器端口二后从端口三输出，与2×S/N位置返回的探测信号进行拍频，故采集到了第2个点的信号。同理，剩下能量的脉冲继续往返在反射镜12和光纤光栅10中来回N-2次，直到从S位置返回的探测信号被拍频后，打开光开关11，将线性腔内的光脉冲释放掉后关闭。光缓释器将等待第二个脉冲射入并同理重复该过程。
传导光纤的长度为L3，L3＝(S×n被测)/(N×n光纤)；其中，S为相干激光雷达的探测距离，n被测为被测物体的折射率；n光纤为光纤的折射率；N为探测点数，代表将整个探测距离分为N段。
本发明采用线性反射式光缓释器时，通过环形器、光纤光栅、光开关、反射镜形成循环结构，光线在反射镜和环形器之间反复循环，复用现有的光路，不管需要多少采样点，都是一样的成本。通过循环结构，理论上就可以实现N值的无限大，从而有利于同一成本下提升采样精度。本发明能够实现光路复用，极大的简化了光路，降低成本，提高系统效率。
如图6所示，光缓释器为第二线性反射式光缓释器；第二线性反射式光缓释器包括隔离器、2×1型耦合器、光纤光栅10、光开关11、传导光纤及反射镜12；
2×1型耦合器包括两个输入端一个输出端；
隔离器的一个输出端用于接收脉冲光信号，输出端与2×1型耦合器的一个输入端连接；隔离器用于将脉冲光信号传输到2×1型耦合器，并隔离从2×1型耦合器返回的信号；
2×1型耦合器的一个输出端与光纤光栅10连接，另一输入端作为光缓释器的输出端；2×1型耦合器的输出端与光纤光栅10、光开关11、传导光纤依次连接；
隔离器接收到的脉冲光信号经2×1型耦合器传输到光纤光栅10；
所述光纤光栅10为全通高反型光纤光栅10，用于使2×1型耦合器输出的信号全部通过，且使得从光开关11方向返回的信号以预定的透过率T部分透过，透过率T≤10％；
反射镜12用于将光纤输出的信号反射回去，反射的信号依次经传导光纤、光开关11、光纤光栅10和2×1型耦合器后，从2×1型耦合器的另一输入端输出；
当光缓释器接收到脉冲光信号时，光开关11为常闭状态；直到从S位置返回的回波信号被采集后，打开光开关11，将光缓释器的脉冲释放后关闭，并等待下一个光脉冲进入；S为相干激光雷达的探测距离。
具体的，在一个应用场景中，光缓释器由隔离器，2×1型耦合器，光纤光栅10、光开关11、光纤及反射镜12组成。其中光纤光栅10为全通高反型，即从左到右为全通，从右到左为透射1％，反射99％；光纤长度为(S×n被测)/(N×n光纤)。
当一个光脉冲从输入位置射入光缓释器中，从隔离器进入，然后通过50:50的2×1型耦合器，全部能量通过光纤光栅10后继续通过状态为常闭的光开关11，然后进入长度为(S×n被测)/(N×n光纤)的光纤中，随后通过反射镜12返回，并再次通过光纤。该光脉冲继续通过状态为常闭的光开关11后达到光纤光栅10，其中1％的能量透射出去，通过2×1型耦合器另外一个端口射出，与S/N位置返回的探测信号进行拍频，故采集到了第一个点的信号。该光脉冲另外99％的能量被光纤光栅10反射，通过状态为常闭的光开关11后继续通过光纤，到达反射镜12后被全反射。然后再一次通过光纤和光开关11后到达光纤光栅10，其中1％的能量再次透射出去，通过2×1型耦合器另外一个端口输出，与2×S/N位置返回的探测信号进行拍频，故采集到了第2个点的信号。同理，剩下能量的脉冲继续往返在反射镜12和光纤光栅10中来回N-2次，直到从S位置返回的探测信号被拍频后，打开光开关11，将线性腔内的光脉冲释放掉后关闭。光缓释器将等待第二个脉冲射入并同理重复该过程。
传导光纤的长度为L3，L3＝(S×n被测)/(N×n光纤)；其中，S为相干激光雷达的探测距离，n被测为被测物体的折射率；n光纤为光纤的折射率；N为探测点数，代表将整个探测距离分为N段。
本发明采用第二线性反射式光缓释器时，通过隔离器和耦合器组合代替环形器，通过反射镜、隔离器、2×1型耦合器、光纤光栅、光开关形成循环结构，光线在上述结构之间反复循环，复用现有的光路，不管需要多少采样点，都是一样的成本。通过循环结构，理论上就可以实现N值的无限大，从而有利于同一成本下提升采样精度。本发明能够实现光路复用，极大的简化了光路，降低成本，提高系统效率。
如图7所示，在一个实施例中，光缓释器为空间线性反射式光缓释器，空间线性反射式光缓释器包括第一准直器、第二准直器、偏振分束器PBS、1/4玻片13、光开关11、全通高反镜14及反射镜12；
所述第一准直镜与主耦合器连接，用于接收脉冲光信号，并将接收到的信号转化为空间光信号；
空间光信号通过偏振分束器PBS后分成两束，其中一束依次通过1/4玻片13、光开关11、全通高反镜14及反射镜12后返回，返回的光信号经过全通高反镜14、光开关11、1/4玻片13、偏振分束器PBS后从偏振分束器的另一输出端口输出到第二准直镜，第二准直镜的输出端作为光缓释器的输出端；
所述全通高反镜14用于使1/4玻片13方向传来的信号全部通过，且使得从光开关11返回的信号以预定的透过率T部分透过，透过率T≤10％；
反射镜12用于将光纤输出的信号反射回去；
当光缓释器接收到脉冲光信号时，光开关11为常闭状态；直到从S位置返回的回波信号被采集后，打开光开关11，将光缓释器的脉冲释放后关闭，并等待下一个光脉冲进入；S为相干激光雷达的探测距离。
所述光开关11与反射镜12直接的距离为L4，L4＝(S×n被测)/N；其中，S为相干激光雷达的探测距离，n被测为被测物体的折射率；N为探测点数，代表将整个探测距离分为N段。
光缓释器由两只光纤准直器，PBS晶体(偏振分束器)，1/4玻片13，光开关11、全通高反镜14及反射镜12组成。其中全通高反镜14是从左到右为全通，从右到左为透射1％，反射99％；全通高反镜14和反射镜12之间距离(S×n被测)/N，并且之间的是折射率为1的空气或者真空。
PBS(polarization beam splitter)偏振分光棱镜，能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光。其中P偏光完全通过，而S偏光以45度角被反射，出射方向与P光成90度角。此偏振分光棱镜由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜。
当一个光脉冲从输入位置的光纤准直器射入光缓释器中，光为o光，光脉冲直接通过PBS进入1/4玻片13，偏振态旋转45度，再通过全通高反镜14，随后通过光开关11，传输了长度为(S×n被测)/N的空气或者真空，随后通过反射镜12返回，并再次通过该长度的空气或者真空并包含光开关11。该光脉冲到达全通高反镜14后，其中1％的能量透射出去，通过1/4玻片13后偏振态又被旋转45度，来回一共旋转90度，光脉冲从o光变为e光，然后通过PBS晶体后向上射出，并进入光线准直器后输出和S/N位置返回的探测信号进行拍频，故采集到了第一个点的信号。该光脉冲另外99％的能量被全通高反镜14反射，无损通过的光开关11后继续传输以上长度，到达反射镜12后被全反射。然后再一次通过真空或空气和光开关11后到达全通高反镜14，其中1％的能量再次透射出去，通过1/4玻片13后偏振态又被旋转45度，来回一共旋转90度，光脉冲从o光变为e光，然后通过PBS晶体后向上射出，并进入光线准直器后输出与2×S/N位置返回的探测信号进行拍频，故采集到了第2个点的信号。同理，剩下能量的脉冲继续往返在反射镜12和全通高反镜14中来回N-2次，直到从S位置返回的探测信号被拍频后，关闭光开关11，将空间腔内的光脉冲阻挡损耗掉后打开。光缓释器将等待第二个脉冲射入并同理重复该过程。
本实施例采用空间线性反射式光缓释器，采用空间光学器件偏振分束器PBS、1/4玻片、光开关、全通高反镜及反射镜组成了循环光路，光线在上述结构之间反复循环，复用现有的光路，不管需要多少采样点，都是一样的成本。通过循环结构，理论上就可以实现N值的无限大，从而有利于同一成本下提升采样精度。本发明能够实现光路复用，极大的简化了光路，降低成本，提高系统效率。
需要说明的是，本发明实施例中的分光比99％等数值均为实例，在实际应用中，可以灵活的采用各种分光比，均适用于本发明。
实施本发明，具有如下有益效果：
1)本发明公开了一种用于相干激光雷达的脉冲激光器。通过设计一种光缓释器，用来记录保存之前发射的光源信息，即使光源发生抖动等其他不稳定现象，在拍频时不是取用当前本振光进行拍频，而是采用同一时刻光源发出的光信号进行拍频，因此可以大幅降低激光雷达对光源稳定性的要求，无论光源如何抖动，对探测结果真实性不产生任何不利影响。使用低成本的，稳定性不是很好的光源也能够实现相干探测，从而大幅降低整个相干激光雷达光源的成本，提高相干激光雷达光源的稳定性。本发明采用内调制光源，成本和可靠性远远优于外调制光源。
2)由于相干激光雷达需要本振光进行拍频探测，并且探测物体产生的回返光和当前进行拍频的本振光不是同时刻输出的，如果当前时刻的光源发生抖动，那么拍频产生的结果是有误差的，所以本发明是把同一时刻的光脉冲给记忆下来，然后根据距离分辨精度来多次重复输出，保证了本振光和回反光都是来自同一个光脉冲，具有相同的光学参数。为了保证在拍频时严格采用同一时刻光源发出的光信号进行拍频，本发明的光缓释器释放N份光信号时不是同时释放的，而是以预定的时间间隔在不同的时刻依次离散射出来。当一个脉冲周期结束后，通过光开关的控制，光缓释器清空所有能量，等待接收下个周期的光脉冲注入。
3)当N非常大，例如N＝10000时，若采用线性光缓释器，需要10000条光纤和10000个耦合器，需要1×10000的合束器(合束器N值越大，制造难度越大，成本越高。)，成本非常高。
本发明采用环形光缓释器时，通过环状结构来实现光路复用，极大的简化了光路，降低成本，提高系统效率。本发明采用环形结构时，仅仅采用一个耦合器和两段光纤，光线在光纤和耦合器之间反复循环，复用现有的光路，不管需要多少采样点，都是一样的成本。不需要增加光纤和其他光学器件，理论上就可以实现N值的无限大，从而有利于同一成本下提升采样精度。
4)本发明采用线性反射式光缓释器时，通过环形器、光纤光栅、光开关、反射镜形成循环结构，光线在反射镜和环形器之间反复循环，复用现有的光路，不管需要多少采样点，都是一样的成本。通过循环结构，理论上就可以实现N值的无限大，从而有利于同一成本下提升采样精度。本发明能够实现光路复用，极大的简化了光路，降低成本，提高系统效率。
5)本发明采用第二线性反射式光缓释器时，通过隔离器和耦合器组合代替环形器，通过反射镜、隔离器、2×1型耦合器、光纤光栅、光开关形成循环结构，光线在上述结构之间反复循环，复用现有的光路，不管需要多少采样点，都是一样的成本。通过循环结构，理论上就可以实现N值的无限大，从而有利于同一成本下提升采样精度。本发明能够实现光路复用，极大的简化了光路，降低成本，提高系统效率。
6)本发明采用空间线性反射式光缓释器时，采用空间光学器件偏振分束器PBS、1/4玻片、光开关、全通高反镜及反射镜组成了循环光路，光线在上述结构之间反复循环，复用现有的光路，不管需要多少采样点，都是一样的成本。通过循环结构，理论上就可以实现N值的无限大，从而有利于同一成本下提升采样精度。本发明能够实现光路复用，极大的简化了光路，降低成本，提高系统效率。
以上所述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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于相干激光雷达的脉冲激光器，其特征在于，包括：调制脉冲光源、主耦合器，放大器，光缓释器和环形器；其中，
调制脉冲光源用来产生脉冲光信号；
所述主耦合器用于将调制脉冲光源输出的信号分为两路，一路作为探测光输出到放大器，一路脉冲光信号输出到缓释器；
所述放大器用于将主耦合器输出的探测光进行放大后输出到所述环形器；
所述环形器用于输出探测光信号，并将接收到的返回光信号从另一端输出；
所述光缓释器用于接收主耦合器输出的脉冲光，对每个接收到的脉冲进行记忆，在一个脉冲周期内，将脉冲分成N份，以预定的时间间隔在不同的时刻离散射出形成准本振光；其中，N为自然数，N≥10；当一个脉冲周期结束后，光缓释器清空所有能量，等待接收下个周期的光脉冲注入；
所述光缓释器的输出端输出的信号作为本振光，用于与环形器输出的回波信号进行拍频。
2.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的脉冲激光器，其特征在于，所述光缓释器为线性光缓释器；线性光缓释器包括N段光纤、N个耦合器和合束器；
合束器包括N个输入端，一个输出端；
每个耦合器用于将脉冲光信号分为两路输出，每个耦合器包括一个输入端和两个输出端；其中，分光较小的部分与合束器的一个输入端通过一段光纤连接；分光较大的部分与下个耦合器的输入端连接；合束器的输出端为光缓释器的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的脉冲激光器，其特征在于，每段光纤的长度为L1，L1＝(2S×n被测)/(N×n光纤)；其中，S为相干激光雷达的探测距离，n被测为被测物体的折射率；n光纤为光纤的折射率；N为探测点数，代表将整个探测距离分为N段。
4.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的脉冲激光器，其特征在于，所述光缓释器为环形光缓释器；环形光缓释器包括耦合器和环状结构，环状结构包括两段光纤和光开关；
耦合器包括两个输入端和两个输出端，其中一个输入端用于接收脉冲光信号，另一输入端通过一段光纤与光开关的一端连接；
耦合器两个输出端中，分光较大的部分与光开关的另一端通过另一段光纤连接；
耦合器的分光较小的部分作为光缓释器的输出端；
当光缓释器接收到脉冲光信号时，光开关为常闭状态；直到从S位置返回的回波信号被采集后，打开光开关，将环状结构内的脉冲释放后关闭，并等待下一个光脉冲进入；S为相干激光雷达的探测距离。
5.根据权利要求4所述的一种用于相干激光雷达的脉冲激光器，其特征在于，两段光纤的长度之和为L2，L2＝(2S×n被测)/(N×n光纤)；其中，S为相干激光雷达的探测距离，n被测为被测物体的折射率；n光纤为光纤的折射率；N为探测点数，代表将整个探测距离分为N段。
6.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的脉冲激光器，其特征在于，光缓释器为线性反射式光缓释器；线性反射式光缓释器包括第二环形器、光纤光栅、光开关、传导光纤及反射镜；
第二环形器包括输入端、收发端和输出端，第二环形器的输入端用于接收脉冲光信号，收发端与光纤光栅连接，光纤光栅与光开关、传导光纤依次连接；第二环形器的输出端作为光缓释器的输出端；
接收到的脉冲光信号经第二环形器的收发端传输到光纤光栅；
所述光纤光栅为全通高反型光纤光栅，用于使第二环形器输出的信号全部通过，且使得从光开关方向返回的信号以预定的透过率T部分透过，透过率T≤10％；
反射镜用于将光纤输出的信号反射回去，反射的信号依次经传导光纤、光开关、光纤光栅和第二环形器后，从第二环形器的输出端输出；
当光缓释器接收到脉冲光信号时，光开关为常闭状态；直到从S位置返回的回波信号被采集后，打开光开关，将光缓释器的脉冲释放后关闭，并等待下一个光脉冲进入；S为相干激光雷达的探测距离。
7.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的脉冲激光器，其特征在于，光缓释器为线性反射式光缓释器；线性反射式光缓释器包括隔离器、2×1型耦合器、光纤光栅、光开关、传导光纤及反射镜；
2×1型耦合器包括两个输入端一个输出端；
隔离器的一个输出端用于接收脉冲光信号，输出端与2×1型耦合器的一个输入端连接；隔离器用于将脉冲光信号传输到2×1型耦合器，并隔离从2×1型耦合器返回的信号；
2×1型耦合器的一个输出端与光纤光栅连接，另一输入端作为光缓释器的输出端；2×1型耦合器的输出端与光纤光栅、光开关、传导光纤依次连接；
隔离器接收到的脉冲光信号经2×1型耦合器传输到光纤光栅；
所述光纤光栅为全通高反型光纤光栅，用于使2×1型耦合器输出的信号全部通过，且使得从光开关方向返回的信号以预定的透过率T部分透过，透过率T≤10％；
反射镜用于将光纤输出的信号反射回去，反射的信号依次经传导光纤、光开关、光纤光栅和2×1型耦合器后，从2×1型耦合器的另一输入端输出；
当光缓释器接收到脉冲光信号时，光开关为常闭状态；直到从S位置返回的回波信号被采集后，打开光开关，将光缓释器的脉冲释放后关闭，并等待下一个光脉冲进入；S为相干激光雷达的探测距离。
8.根据权利要1、6、7中任一所述的一种用于相干激光雷达的脉冲激光器，其特征在于，所述传导光纤的长度为L3，L3＝(S×n被测)/(N×n光纤)；其中，S为相干激光雷达的探测距离，n被测为被测物体的折射率；n光纤为光纤的折射率；N为探测点数，代表将整个探测距离分为N段。
9.根据权利要1所述的一种用于相干激光雷达的脉冲激光器，其特征在于，光缓释器为空间线性反射式光缓释器，空间线性反射式光缓释器包括第一准直器、第二准直器、偏振分束器PBS、1/4玻片、光开关、全通高反镜及反射镜；
所述第一准直镜与主耦合器连接，用于接收脉冲光信号，并将接收到的信号转化为空间光信号；
空间光信号通过偏振分束器PBS后分成两束，其中一束依次通过1/4玻片、光开关、全通高反镜及反射镜后返回，返回的光信号经过全通高反镜、光开关、1/4玻片、偏振分束器PBS后从偏振分束器的另一输出端口输出到第二准直镜，第二准直镜的输出端作为光缓释器的输出端；
所述全通高反镜用于使1/4玻片方向传来的信号全部通过，且使得从光开关返回的信号以预定的透过率T部分透过，透过率T≤10％；
反射镜用于将光纤输出的信号反射回去；
当光缓释器接收到脉冲光信号时，光开关为常闭状态；直到从S位置返回的回波信号被采集后，打开光开关，将光缓释器的脉冲释放后关闭，并等待下一个光脉冲进入；S为相干激光雷达的探测距离。
10.根据权利要9所述的一种用于相干激光雷达的脉冲激光器，其特征在于，
所述光开关与反射镜直接的距离为L4，L4＝(S×n被测)/N；其中，S为相干激光雷达的探测距离，n被测为被测物体的折射率；N为探测点数，代表将整个探测距离分为N段。
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