CN215932129U

CN215932129U - 基于偏振调制光注入激光器的激光雷达

Info

Publication number: CN215932129U
Application number: CN202122151773.8U
Authority: CN
Inventors: 周沛; 张仁恒; 李念强; 傅剑斌; 潘万胜
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2021-09-07
Filing date: 2021-09-07
Publication date: 2022-03-01
Anticipated expiration: 2031-09-07

Abstract

本实用新型涉及一种基于偏振调制光注入激光器的激光雷达，包括：激光发生模块，其能够产生光强度可连续调谐的光信号；偏振调制模块，偏振调制模块将光强度可连续调谐的光信号调制成双边带啁啾光信号；第一光耦合器，第一光耦合器将双边带啁啾光信号分路成参考光信号和测试光信号；测试光信号从信号发射端发出并经目标物反射，接收端获取目标物反射的回波信号；第二光耦合器，第二光耦合器将参考光信号与回波信号耦合，获得耦合后的光信号；激光去啁啾模块，激光去啁啾模块将耦合后的光信号下变频为携带目标信息的中频信号。其成本低、结构简单、易于操作、发射的啁啾激光信号质量高且其扫频带宽高达几十GHz。

Description

基于偏振调制光注入激光器的激光雷达

技术领域

本实用新型涉及激光雷达技术领域，尤其是指一种基于偏振调制光注入激光器的激光雷达。

背景技术

激光雷达具有分辨率高，隐蔽性好、抗干扰能力更强等优势，广泛应用于机器人、自动驾驶、无人车等领域。其在民用以及军事等领域有广泛应用。根据发射信号体制的不同，激光雷达可以分为脉冲激光雷达和调频连续波激光雷达。相比于脉冲激光雷达，调频连续波激光雷达具有更低的峰值功率、更低的截获概率、更低的采样率和无模糊探测能力。

通常调频连续波激光雷达通过调制半导体激光器的驱动电流实现线性扫频，然而其扫频速率以及扫频线性度较差，这造成了测量精度的恶化；或者将一个基带微波线性调频信号调制到一束光载波上实现激光的线性扫频，然而一方面需要额外的射频源来提供基带信号，这不可避免地增加了系统地体积与成本，另一方面为了实现更大的扫频带宽，通过微波光子倍频技术来实现二倍频或者四倍频，这导致了基带信号的杂散以及信噪比恶化，降低了激光雷达的探测精度。

实用新型内容

为此，本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术中外部射频源而导致系统体积大、成本高和精度低的技术缺陷。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于偏振调制光注入激光器的激光雷达，包括：

激光发生模块，其能够产生光强度可连续调谐的光信号；

偏振调制模块，其与所述激光发生模块连接，所述偏振调制模块将光强度可连续调谐的光信号调制成双边带啁啾光信号；

第一光耦合器，其与所述偏振调制模块连接，所述第一光耦合器将所述双边带啁啾光信号分路成参考光信号和测试光信号；

信号发射与接收模块，其与所述第一光耦合器连接，所述信号发射与接收模块包括信号发射端与信号接收端，所述测试光信号从所述信号发射端发出并经目标物反射，所述接收端获取目标物反射的回波信号；

第二光耦合器，其与第一光耦合器的输出端和信号发射与接收模块连接，所述第二光耦合器将所述参考光信号与回波信号耦合，获得耦合后的光信号；

激光去啁啾模块，其与所述第二光耦合器的输出端连接，所述激光去啁啾模块将耦合后的光信号下变频为携带目标信息的中频信号；

信号处理器，其与所述激光去啁啾模块的输出端连接，所述信号处理器从所述携带目标信息的中频信号中提取目标物的距离信息及速度信息。

作为优选的，所述激光发生模块包括依次设置的主激光器和光强度调制器，所述光强度调制器对所述主激光器发射出的激光进行调制以获得光强度可调节的光载波信号。

作为优选的，还包括波形发生器，所述波形发生器的输出端与所述光强度调制器的低速射频端口相连接。

作为优选的，还包括：

第三光耦合器，其设置在偏振调制模块的输出端与第一光耦合器的输入端之间，所述第三光耦合器将所述双边带啁啾光信号分路成第一光信号和第二光信号，所述第一光信号输入至第一光耦合器的输入端；

从激光器，所述第二光信号注入至所述从激光器中以激发从激光器的单周期震荡态，所述从激光器输出线性扫频啁啾光信号；

信号反馈模块，所述信号反馈模块将所述线性扫频啁啾光信号输入至偏振调制模块的高速射频端口以调节偏振调制模块工作。

作为优选的，还包括第一光环形器，所述第一光环形器包括依次设置的第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口与所述第三光耦合器连接以接收第二光信号，所述第二端口与所述从激光器连接，所述第三端口与所述信号反馈模块连接。

作为优选的，所述信号反馈模块包括依次设置的单模光纤、高速光电探测器和电功率放大器。

作为优选的，所述激光发生模块与所述偏振调制模块之间设置有第一偏振控制器；所述第三光耦合器的输出端与所述从激光器的输入端之间设置有第二偏振控制器；所述第三光耦合器的输出端与所述第一光耦合器的输入端之间依次设置有第三偏振控制器和偏振片。

作为优选的，所述激光去啁啾模块包括依次设置的低速光电探测器和低通滤波器。

作为优选的，所述信号发射与接收模块为望远镜。

本实用新型公开了一种基于偏振调制光注入激光器的激光雷达的调控方法，包括以下步骤：

S1、获取光强度可连续调谐的光信号，通过偏振调制模块将所述光强度可连续调谐的光信号调制成双边带啁啾光信号；

S2、通过第一光耦合器将所述双边带啁啾光信号分路成参考光信号和测试光信号；

S3、所述测试光信号发射至目标物并反射，获得目标物反射的回波信号；

S4、将所述参考光信号与回波信号耦合，获得耦合后的光信号；

S5、将耦合后的光信号下变频为携带目标信息的中频信号，并从所述携带目标信息的中频信号中提取目标物的距离信息及速度信息。

作为优选的，所述S1和S2之间还包括：

将所述双边带啁啾光信号分路成第一光信号和第二光信号；

所述第一光信号输入至第一光耦合器的输入端，所述第二光信号注入至从激光器中以激发从激光器的单周期震荡态，所述从激光器输出线性扫频啁啾光信号；

将所述线性扫频啁啾光信号输入至偏振调制模块的高速射频端口以调节偏振调制模块工作。

本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本实用新型的装置核心器件为商用单模半导体激光器，无需高速射频源，具有结构简单、成本低以及易于操控的优点。

2、本实用新型产生的双啁啾光信号具有扫频带宽大、扫描速率快和调谐灵活的优点，信噪比低，提高了激光雷达的探测精度。

3、本实用新型中的各个模块都可以小型化集成封装，且可通过计算机程序远程控制，使得激光雷达系统可一体化集成。

附图说明

图1为本实用新型为本实用新型的原理框图；

图2为基于本实用新型的实施例装置图；

图3为基于本实用新型产生双啁啾光信号的光频谱示意图；

图4为基于本实用新型装置的目标探测原理示意图。

说明书附图标记说明：10、激光发生模块；11、主激光器；12、第一光衰减器；13、光强度调制器；14、波形发生器；20、偏振调制模块；30、第一光耦合器；31、第二光耦合器；32、第三光耦合器；40、信号发射与接收模块；41、望远镜；42、目标物；50、激光去啁啾模块；51、低速光电探测器；52、低通滤波器；60、信号处理器；61、模数转换器；70、从激光器；71、第一光环形器；72、第二光环形器；80、信号反馈模块；81、单模光纤；82、第二光衰减器；83、高速光电探测器；84、电功率放大器；90、第一偏振控制器；91、第二偏振控制器；92、第三偏振控制器；93、偏振片；a、第一端口；b、第二端口；c、第三端口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

参照图1-图4所示，本实用新型公开了一种基于偏振调制光注入激光器的激光雷达，包括激光发生模块10、偏振调制模块20、第一光耦合器30、信号发射与接收模块40、第二光耦合器31、激光去啁啾模块50、信号处理器60和从激光器70。

激光发生模块10能够产生光强度可连续调谐的光信号。激光发生模块10包括依次设置的主激光器11和光强度调制器13，光强度调制器13对主激光器11发射出的激光进行调制以获得光强度可调节的光载波信号。在主激光器11与光强度调制器13之间还可设置第一光衰减器12，以便调节主激光器11的输出激光的光强。本实用新型还包括波形发生器，波形发生器的输出端与光强度调制器13的低速射频端口相连接。波形发生器能够产生具有特定波形、振幅、周期的电压信号来控制发射双啁啾光信号的扫频范围、扫频周期、以及占空比。

偏振调制模块20与激光发生模块10连接，偏振调制模块20将光强度可连续调谐的光信号调制成双边带啁啾光信号。偏振调制模块20可设置成一个光偏振调制器。

第一光耦合器30与偏振调制模块20连接，第一光耦合器30将双边带啁啾光信号分路成参考光信号和测试光信号。

信号发射与接收模块40与第一光耦合器30连接，信号发射与接收模块40包括信号发射端与信号接收端，测试光信号从信号发射端发出并经目标物42反射，接收端获取目标物42反射的回波信号。信号发射与接收模块40可为望远镜41，其能够发射测试光信号和接收回波信号。

第二光耦合器31与第一光耦合器30的输出端和信号发射与接收模块40连接，第二光耦合器31将参考光信号与回波信号耦合，获得耦合后的光信号。

激光去啁啾模块50与第二光耦合器31的输出端连接，激光去啁啾模块50将耦合后的光信号下变频为携带目标信息的中频信号。激光去啁啾模块50包括依次设置的低速光电探测器51和低通滤波器52。

信号处理器60与激光去啁啾模块50的输出端连接，信号处理器60从携带目标信息的中频信号中提取目标物42的距离信息及速度信息。当信号处理器60为数字信号处理器60时，在数字处理器与低通滤波器52之间可设置一个模数转换器61。

为了实现激光的线性扫频，本实用新型还包括第三光耦合器32、从激光器70和信号反馈模块80。第三光耦合器32设置在偏振调制模块20的输出端与第一光耦合器30的输入端之间，第三光耦合器32将偏振调制模块20输出的光信号分路成第一光信号和第二光信号，第一光信号输入至第一光耦合器30的输入端。第二光信号注入至从激光器70中以激发从激光器70的单周期震荡态，从激光器70输出线性扫频啁啾光信号。从激光器70为一个输出端不带隔离器的单模分布反馈式半导体激光器或分布布拉格反射激光器。

信号反馈模块80将线性扫频啁啾光信号输入至偏振调制模块20的高速射频端口以调节偏振调制模块20工作。偏振调制模块20输出双边带啁啾光信号。信号反馈模块80用于保持双边带啁啾光信号的稳定性，信号反馈模块80包括依次设置的单模光纤81、第二光衰减器82、高速光电探测器83和电功率放大器84。

本实用新型还包括第一光环形器71，第一光环形器71包括依次设置的第一端口a、第二端口b和第三端口c，第一端口a与第三光耦合器32的连接以接收第二光信号，第二端口b与从激光器70连接，第三端口c与信号反馈模块80连接。

激光发生模块10与偏振调制模块20之间设置有第一偏振控制器90；第三光耦合器32的输出端与从激光器70的输入端之间设置有第二偏振控制器91；第三光耦合器32的输出端与第一光耦合器30的输入端之间依次设置有第三偏振控制器92和偏振片93。

在实施例中，主激光器11和从激光器70的中心波长均在1550nm附近。

本实用新型中的激光雷达具备以下优点：

1、本实用新型通过合理调谐激光发生模块10与自由运行的从激光器70之间的频率失谐，以及注入到从激光器70中的光功率，从激光器70模块输出单周期振荡态，而非注入锁定态。

2、本实用新型中的激光雷达系统发射信号为同时线性扫频的双啁啾光信号且其扫频斜率为一正一负；相比于时间上交替扫频的三角调频啁啾光信号，本实用新型中的激光雷达装置可以直接测量目标的距离与速度信息，而无需额外复杂的信号处理过程。

3、通过波形发生器14设计特定波形的电压信号，可精确控制双啁啾光信号的扫频线性度，并且通过波形发生器调整电压信号的振幅、周期，可简单精确地调谐啁啾光信号的扫频范围、扫频周期以及占空比。

4、本实用新型中的第一光耦合器30、第二光耦合器31和第三光耦合器32的功率分配比不是固定的，可根据工作需求进行调整，从而使得整个激光雷达的灵活度更高。

5、激光雷达包括信号反馈模块80，信号反馈模块80中的反馈时延需等于发射光信号的周期，可通过仔细地调谐反馈控制模块中单模光纤81的长度来严格保证。

本实用新型还公开了一种基于偏振调制光注入激光器的激光雷达的调控方法，包括以下步骤：

步骤一、获取光强度可连续调谐的光信号，通过偏振调制模块20将光强度可连续调谐的光信号调制成双边带啁啾光信号；

步骤二、通过第一光耦合器30将双边带啁啾光信号分路成参考光信号和测试光信号；

步骤三、测试光信号发射至目标物42并反射，获得目标物42反射的回波信号；

步骤四、将参考光信号与回波信号耦合，获得耦合后的光信号；

步骤五、将耦合后的光信号下变频为携带目标信息的中频信号，并从携带目标信息的中频信号中提取目标物42的距离信息及速度信息。

其中，步骤一和步骤二之间还包括：将双边带啁啾光信号分路成第一光信号和第二光信号；第一光信号输入至第一光耦合器30的输入端，第二光信号注入至从激光器70中以激发从激光器70的单周期震荡态，从激光器70输出线性扫频啁啾光信号；将线性扫频啁啾光信号输入至偏振调制模块20的高速射频端口以调节偏振调制模块20工作。

参照图2-图4所示，本实用新型所涉及的基于调制光注入激光器的激光雷达装置的具体工作原理如下：

主激光器经第一光衰减器12、光强度调制器13后输出频率为f_ML的连续光载波信号，自由运行的从激光器70输出频率为f_SL的连续光信号，如图3(a)所示。波形发生器14产生特定波形的电压信号通过光强度调制器对所述光载波信号进行强度调制，强度调制后的光载波经第一偏振控制器90调整偏振态后输入光偏振调制器20，输出光被第三光耦合器32分为两路：一路依次通过第二偏振控制器91、第一光环行器71的第一端口a、第二端口b，然后注入到从激光器70中，在适当的注入功率下，从激光器70工作在单周期振荡态，其输出的光信号不仅包括主激光器11的频率分量f_ML，也包括一个频率范围为Δf＝f_s2-f_s1的线性扫频光信号,如图3(b)所示。所述线性扫频光信号依次通过单模光纤81、第二光衰减器82、高速光电探测器83后转换为微波线性调频信号，所述微波线性调频信号被电功率放大器84放大功率后反馈至光偏振调制器20的高速射频端口对光载波进行双边带调制，第三光耦合器32的另一端口则导出双边带线性扫频的啁啾光信号,如图3(c)所示，两个边带的扫频带宽均为Δf(Δf＝f_s2-f_s1＝f_s4-f_s3)。所述双边带线性扫频的啁啾光信号通过第三偏振控制器92和偏振片93检偏后实现载波抑制态，如图3(d)所示。第一光耦合器30将所述载波抑制态的双边带线性扫频的啁啾信号分为两路：一路依次通过第二光环行器72的第一端口a、第二端口b、然后经望远镜41准直后发射到自由空间，经过目标反射后，回波信号由望远镜41收集，然后进入第二光环行器72的第二端口b，第二光环行器72的第三端口c导出回波信号。另一路作为参考信号与回波信号通过第二光耦合器31耦合为一路光信号，并输入低速光电探测器51完成光电转换，低速光电探测器51输出携带目标信息的中频电信号，低通滤波器52滤出所述中频电信号，模数转换器61将所述中频电信号数字化，并由数字信号处理器60提取出目标的信息。

本实用新型所涉及的基于调制光注入半导体激光器的激光雷达系统的目标探测原理如下：发射信号为双啁啾线性扫频光信号，扫频带宽为Δf(Δf＝f_s2-f_s1＝f_s4-f_s3)，扫频周期为T，如图4所示，其包括一个正扫频的啁啾光信号(从f₃线性扫描至f₄)和一个负扫频的啁啾光信号(从f₂线性扫描至f₁)。经过目标反射后，回波信号与发射信号存在一个延迟时间Δτ，因此目标的距离可以通过d＝cΔτ/2计算得出,c为真空中的光速。由于发射信号是线性啁啾光信号，可以通过直接计算发射信号与回波信号之间的频率差来获取目标的信息。如图4(b)所示，当目标为静止状态时，即目标的速度为零，此时正扫频部分和负扫频部分的频率差都为f_IF，因此只会有一个中频信号存在。当目标为运动状态时，如图4(c)所示，目标与激光雷达之间的相对运动会引入一个多普勒频率f_d，导致正扫频部分的频率差与负扫频部分的频率差不一致。正扫频部分的频率差为f_IF2，而负扫频部分的频率差为f_IF1，目标的距离信息可以通过f_IF2与f_IF1相加获得：f_IF＝(f_IF2+f_IF1)/2，速度信息可以通过f_IF2与f_IF1相减获得：f_d＝(f_IF2-f_IF1)/2。因此目标的距离为：R＝f_IFTc/2(Δf)，速度为：v＝f_dc/2f_ML。

本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本实用新型本实用新型提出的基于偏振调制光注入激光器的激光雷达，与当前技术方案比较，首先，本装置核心器件为商用单模半导体激光器，无需高速射频源，具有结构简单、成本低以及易于操控的优点；其次，本实用新型的从激光器工作在单周期振荡态使得产生的双啁啾光信号具有扫频带宽大、扫描速率快和调谐灵活的优点；最后，本实用新型中的激光发生模块、偏振调制模块、信号反馈模块、从激光器器、信号发射与接收模块、激光去啁啾模块、信号处理模块都可以小型化集成封装，且可通过计算机程序远程控制，使得激光雷达系统可一体化集成。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims

1.一种基于偏振调制光注入激光器的激光雷达，其特征在于，包括：

激光发生模块，其能够产生光强度可连续调谐的光信号；

2.根据权利要求1所述的基于偏振调制光注入激光器的激光雷达，其特征在于，所述激光发生模块包括依次设置的主激光器和光强度调制器，所述光强度调制器对所述主激光器发射出的激光进行调制以获得光强度可调节的光载波信号。

3.根据权利要求2所述的基于偏振调制光注入激光器的激光雷达，其特征在于，还包括波形发生器，所述波形发生器的输出端与所述光强度调制器的低速射频端口相连接。

4.根据权利要求1所述的基于偏振调制光注入激光器的激光雷达，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求4所述的基于偏振调制光注入激光器的激光雷达，其特征在于，还包括第一光环形器，所述第一光环形器包括依次设置的第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口与所述第三光耦合器连接以接收第二光信号，所述第二端口与所述从激光器连接，所述第三端口与所述信号反馈模块连接。

6.根据权利要求4所述的基于偏振调制光注入激光器的激光雷达，其特征在于，所述信号反馈模块包括依次设置的单模光纤、高速光电探测器和电功率放大器。

7.根据权利要求4所述的基于偏振调制光注入激光器的激光雷达，其特征在于，所述激光发生模块与所述偏振调制模块之间设置有第一偏振控制器；所述第三光耦合器的输出端与所述从激光器的输入端之间设置有第二偏振控制器；所述第三光耦合器的输出端与所述第一光耦合器的输入端之间依次设置有第三偏振控制器和偏振片。

8.根据权利要求1所述的基于偏振调制光注入激光器的激光雷达，其特征在于，所述激光去啁啾模块包括依次设置的低速光电探测器和低通滤波器。

9.根据权利要求1所述的基于偏振调制光注入激光器的激光雷达，其特征在于，所述信号发射与接收模块为望远镜。