一种基于电光调制技术的多波长相干激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达大气遥感领域，尤其涉及一种基于电光调制技术的多波长相干激光雷达。

背景技术

激光雷达作为近年快速发展的新型光波主动式遥感技术，由于具有高精度及高时空分辨率的遥测特性,已经在大气及海洋环境探测等领域得到广泛的应用。

随着光纤激光技术的发展，光纤在激光雷达中的使用越来越普遍，光纤的应用极大地推动了激光雷达技术的发展。近年来，已经出现了全光纤激光雷达，大大提高了激光雷达的小型化、集成化程度。

本发明的发明人经研究发现：由于激光在大气传输过程中，受大气衰减及各种复杂天气状况影响，相干激光雷达接收的回波信号具有很低的信噪比和很大的随机性。多普勒激光雷达信号可以描述为一个零均值复高斯随机过程的信号光附加一个统计独立的白噪声。目前，最常用的多普勒频移估计算法是周期图最大值法，即直接提取每个距离门激光雷达时域信号功率谱的最大值对应的频率值。当信噪比(SNR)较低时，频率估计存在偏差，从而增大了测量误差。提高雷达回波信号的信噪比是雷达接收机从噪声中提取回波信号的关键，也是进行后续数据分析处理的前提。

本发明的发明人进一步经研究发现：为提高信噪比，目前采用方法有增加光纤激光器的发射脉冲功率，增大望远镜口径等。采取增大望远镜口径的方法，会大大提高成本。而采用增加发射脉冲功率的方法，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。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于电光调制技术的多波长相干激光雷达，能够克服受激布里渊散射对激光功率的限制，有效提高激光雷达的发射功率和信噪比。

本发明是这样实现的：一种基于电光调制技术的多波长相干激光雷达，包括：连续光激光器、分束器、电光调制器、信号发生装置、声光调制器、光纤放大器、光学收发模块、平衡光电探测器和数据采集处理模块；其中：

所述连续光激光器用于输出连续的激光载波信号；

所述分束器用于将所述连续光激光器输出的激光载波信号分为两路，分别输入到电光调制器和平衡光电探测器；

信号发生装置用于输出预设的调制信号到电光调制器；

所述电光调制器用于根据接收的调制信号对激光载波信号调制，以产生若干个边频信号，且边频信号的频率与激光载波信号的频率不同；所述电光调制模块输出的信号通过光纤输入到声光调制器；

声光调制器用于将输入的连续激光调制为脉冲光并改变输入的连接激光的频率；声光调制器输出的激光信号经光纤输出到光纤放大器；

光纤放大器用于对输入的激光放大后输出到光学收发模块；

光学收发模块用于将输入的激光发射到目标物，并接收从目标物返回的回波信号；光学收发模块还用于将接收到的回波信号通过光纤输入到平衡光电探测器；

数据采集处理模块用于对平衡光电探测器输出的拍频信号分析处理，得到目标物的运动信息。

进一步的，所述边频信号包括第一边频信号和第二边频信号，第一边频信号的中心角频率为ω

进一步的，还包括第一滤波器，所述第一滤波器用于降低所述电光调制器输出的信号中激光载波信号的强度；所述第一滤波器的输入端与声光调制器的输出端连接，所述第一滤波器的输出端与声光调制器的输入端连接。

进一步的，所述第一滤波器为透过率可调滤波器，通过调制第一滤波器的透过率，使激光雷达出射信号中各频率的信号强度相等；即I

进一步的，所述调制信号包括载波抑制调制信号，所述电光调制器用于根据所述载波抑制调制信号对激光载波信号进行抑制载波双边频调制，以使激光载波信号的强度Ic与第一边频信号的强度I

进一步的，所述调制信号包括振幅调制信号，所述电光调制器用于根据所述振幅调制信号对激光载波信号进行振幅调制，以产生至少两个频率不同的边频信号。

进一步的，所述调制信号包括相位调制信号，所述电光调制器用于根据所述相位调制信号对激光载波信号进行相位调制，以产生至少两个频率不同的边频信号。

进一步的，所述调制信号包括频率调制信号，所述电光调制器用于根据所述频率调制信号对激光载波信号进行频率调制，以产生至少两个频率不同的边频信号。

进一步的，所述调制信号的调制频率根据预设的模式变化。

进一步的，所述光学收发模块包括光纤环形器和收发望远镜；所述光纤环形器用于将输入的光信号输出至收发望远镜，并将收发望远镜接收的信号输出至平衡光电探测器；所述收发望远镜用于将光信号输出到目标物，并接收目标物返回的信号。

本发明具有下述有益效果：

(1)本发明通过电光调制技术对激光载波信号进行调制，能够产生多个不同波长的激光信号，实现多波长同时输出的相干激光雷达，提升相干激光雷达的探测能力。

(2)本发明通过电光调制技术对激光载波信号进行调制产生多个不同波长的激光信号，不同波长的激光信号同时出射，能够实现在不激发受激布里渊散射的前提下提高出射激光的功率，解决了激光器脉冲峰值功率受限的问题，显著地提高了相干激光雷达的信噪比，有效提高了探测距离，且不需要脉冲积累时间，不牺牲探测时间和距离分辨率。

(3)本发明采用电光调制对激光载波信号调制，调制方式灵活，既可以采用强度调制方法，也可以采用相位调制或频率调制方法产生多个边频信号。

(4)本发明采用电光调制技术，调制频率可捷变，实现速度快，通过改变调制频率，调制信号的调制频率根据预设的模式变化，增大敌方破解频率的难度，进一步提高激光雷达的抗干扰性。

(5)本发明设置第一滤波器，通过调制第一滤波器来调制激光载波信号的透过率，从而平衡出射激光不同频率的光强，提高相干激光雷达测量效率和信号处理效率。

(6)本发明通过对激光载波信号进行抑制载波双边频调制，以使激光载波信号的强度I

(7)在数据处理方面，本发明能够实现多波长同时探测，因此，对平衡光电探测器输出的拍频信号进行快速傅里叶变换后会相应地产生多个移频信号，由于电光调制的调制频率和边频已知，移频信号的频率间隔已知，通过多个移频信号的频率间隔特征能够快速锁定目标信号，不需要很高的信噪比就能迅速锁定频移量，从而准确地提取多普勒频移，进而计算速度信息。本发明能够大大提高相干激光雷达在弱信号中提取信号的能力。

附图说明

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一些实施例，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基于电光调制技术的多波长相干激光雷达的结构框图；

图2为本发明实施例提供的受激布里渊散射的示意图；

图3为本发明实施例提供的受激布里渊散射的又一示意图；

图4为本发明实施例提供中贝塞尔函数的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于电光调制技术的多波长相干激光雷达的又一结构框图；

图6为本发明实施例提供的一种基于电光调制技术的多波长相干激光雷达的另一结构框图；

图7为本发明实施例提供的一种基于电光调制技术的多波长相干激光雷达的再一结构框图。

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1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。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于电光调制技术的多波长相干激光雷达，能够克服受激布里渊散射对激光功率的限制，有效提高激光雷达的发射功率和信噪比。为了更清楚地阐述本发明的技术方案，下面对布里渊散射进行详细说明。布里渊散射是介质的非线性引起的效应，尤其是与声学声子相关的非线性部分。入射的声子能够转化为一个具有更低能量的散射声子，通常是背向传播，还有另一个声子。光场与声波通过电致伸缩发生相互耦合。即使在很低的光功率情况下，这一效应也会发生，然后反射产生声子场。光功率更高时，会发生受激效应，这时主要由光场产生声子。当介质中的光束超过某一临界功率时，受激布里渊散射会反射大部分入射的光功率。这时背向反射波得到很强的非线性光学增益：即初始非常弱的相反方向传播的光在某一光纤频率时会被放大很多倍。两个相反方向的波会形成一个移动的折射率光栅；反射功率越大，折射率光栅越强，有效反射率越大。

反射光的频率略小于入射光的频率，频率差ν

由于纤芯中声波的指数衰减，布里渊增益谱g

g

其中，w

其中，p

窄带光学信号(例如，单频激光器产生的)在光纤放大器500中被放大或者在无源光纤中传播时常产生受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering，简称SBS)。受激布里渊散射是光纤中一种常见的非线性现象。

与自发布里渊散射不同，受激布里渊散射的产生过程是：在激光的电场作用下，通过电致伸缩效应，使介质发生周期性密度和介电常数的变化，感生声波场，而导致入射光与声波场间发生相干散射过程。

强泵浦激光场射入介质时，光波场的电致伸缩效应开始起作用，使介质内某些状态的声频振动(声子)得到极大增强，增强了的声波场又反过来增强对入射激光的散射作用，声波场、激光波场、激光的散射光波场在介质中同时存在，互相耦合。当入射激光的强度达到阈值后，使介质内声波场与散射光波场的增强作用补偿各自的损耗作用，产生感应声波场与布里渊散射光波场的受激放大或振荡效应，散射光具有发散角小、线宽窄等受激发射的特性，故称为受激布里渊散射。

受激布里渊散射的阈值光功率为：

其中，g

对线宽极窄的入射光，有：

本发明的发明人经实验测量，得到在1.5微米波段，布里渊散射频移约为11GHz，具体频移量与入射光的波长有关。图2中，曲线的中心较高的峰为入射激光，中心左右两侧的两个小峰由受激布里渊散射产生。

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，如图3所示。图3中，上面的虚线为理想情况下透射的泵浦功率，下面的实线为发生受激布里渊散射后的透射泵浦功率，很明显，受激布里渊散射导致透射的泵浦功率急剧下降。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，进而对整个激光雷达系统造成危害。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于电光调制技术的多波长相干激光雷达，包括：连续光激光器100、分束器101、电光调制器200、信号发生装置300、声光调制器400、光纤放大器500、光学收发模块600、平衡光电探测器700和数据采集处理模块800；

其中：

所述连续光激光器100用于输出连续的激光载波信号。

优选的，激光载波信号的波长为1.5微米，由于1.5微米波段为通信波段，光纤器件成熟，实现全光纤结构，提高激光雷达的稳定性和便携性。

需要说明的是，本发明的光学器件间优选采用光纤连接。

所述分束器101用于将所述连续光激光器100输出的激光载波信号分为两路，分别输入到电光调制器200和平衡光电探测器700。输入到电光调制器200的激光作为信号光，输入到平衡光电探测器700的激光作为本振光。

信号发生装置300用于输出预设的调制信号到电光调制器200；

所述电光调制器200用于根据接收的调制信号对激光载波信号调制，以产生若干个边频信号，且边频信号的频率与激光载波信号的频率不同；所述电光调制模块输出的信号通过光纤输入到声光调制器400。

声光调制器400用于将输入的连续激光调制为脉冲光并改变输入的连接激光的频率；声光调制器400输出的激光信号经光纤输出到光纤放大器500。

光纤放大器500用于对输入的激光放大后输出到光学收发模块600。

当连续光激光器100输出的激光波长为1.5微米时，光纤放大器500优选为掺铒光纤放大器EDFA。

光学收发模块600用于将输入的激光发射到目标物，并接收从目标物返回的回波信号；光学收发模块600还用于将接收到的回波信号通过光纤输入到平衡光电探测器700。

在具体实现的过程中，本振光和光学收发模块600接收到的回波信号可以通过耦合器耦合后输出到平衡光电探测器700；若平衡光电探测器700本身设置有多个信号输入端，则本振光和回波信号可直接连接平衡光电探测器700。

数据采集处理模块800用于对平衡光电探测器700输出的拍频信号分析处理，得到目标物的运动信息。

本发明的相干激光雷达能够测量风速，本发明的目标物为大气粒子，即软目标，包括大气气溶胶、大气分子、颗粒物等。由于大气粒子对激光的后向散射信号微弱，因此本发明为弱信号检测，对出射激光的功率和信噪比有着较高的要求。

下面对本发明的电光调制部分进行详细阐述。

电光调制是基于线性电光效应(普克尔效应)即光波导的折射率正比于外加电场变化的效应。电光效应导致的相位调制器中光波导折射率的线性变化，使通过该波导的光波有了相位移动,从而实现相位调制。单纯的相位调制不能调制光的强度。由包含两个相位调制器和两个Y分支波导构成的马赫曾德(Mach-Zehnder)干涉仪型调制器能调制光的强度。

若激光载波信号的电场强度是：

式中，A

激光调制按其调制的性质可以分为调幅、调频、调相等。

在一个实施例中，所述调制信号包括振幅调制信号，所述电光调制器200用于根据所述振幅调制信号对激光载波信号进行振幅调制，以产生至少两个频率不同的边频信号。

具体的，振幅调制就是载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡，简称调幅。设激光载波信号的电场强度如(8)式所示，调制信号可以是一个时间的余弦函数，即：

a(t)＝A

式中，A

利用三角函数公式将公式(10)展开，即得到调幅波的频谱公式，即

式中，m

调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变的振荡。因为这两种调制波都表现为总相角

在一个实施例中，所述调制信号包括频率调制信号，所述电光调制器200用于根据所述频率调制信号对激光载波信号进行频率调制，以产生至少两个频率不同的边频信号。

具体的，频率调制中，(8)式中的角频率不再是常数，而是随调制信号变化，即，

ω(t)＝ω

若频率调制信号为式(9)的余弦函数，则调频波的总相角为：

则调制波的表达式为

式中，k

在一个实施例中，所述调制信号包括相位调制信号，所述电光调制器200用于根据所述相位调制信号对激光载波信号进行相位调制，以产生至少两个频率不同的边频信号。

具体的，相位调制就是(8)式中的相位角件随调制信号的变化规律而变化，调相波的总相角为

调相波的表达式为

式中，

由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可写成统一的形式

利用三角函数展开上式，得

将式中cos(msinω

式中，m为调制系数，知道了m，就可从贝塞尔函数表查得各阶贝塞尔函数值。将上两式代入(18)式并展开，可得到：

在单频正弦波调制时，其角度调制波的频谱是由光载频与在它两边对称分布的无穷多对边频所组成的。各边频之间的频率间隔是ω

当角度调制系数较小(即m<<1)时，由图4所示的Bessel函数可知，n≥2的高阶贝塞尔函数对应的边频可以忽略，所以角度调制波的频谱与调幅波的频谱有着相同的形式。

进一步的，通过电光调制可产生至少两个边频信号，所述边频信号包括第一边频信号和第二边频信号，第一边频信号的中心频率为ω

若调制信号为余弦函数，调制信号的角频率为ω

由图4所示的贝塞尔函数可知，第一边频信号和第二边频信号的强度低于载波信号的强度。如图5所示，为了使激光雷达出射信号中各频率的信号强度相等，本发明还包括第一滤波器201，所述第一滤波器201用于降低所述电光调制器200输出的信号中激光载波信号的强度；所述第一滤波器201的输入端与声光调制器400的输出端连接，所述第一滤波器201的输出端与声光调制器400的输入端连接。

进一步的，所示第一滤波器201为透过率可调滤波器，通过调制第一滤波器201的透过率，使激光雷达出射信号中各频率的信号强度相等；即I

在另一个实施例中，所述调制信号包括载波抑制调制信号，所述电光调制器200用于根据所述载波抑制调制信号对激光载波信号进行抑制载波双边频调制，以使激光载波信号的强度I

需要说明的是，可同时采用第一滤波器201和采用载波抑制调制两种方式降低激光载波信号强度，也可以只选用其中一种方式，只要能够使激光载波信号的强度I

在一个实施例中，所述电光调制器200为马赫曾德电光调制器200，所述马赫曾德电光调制器200设置有用于输入调制信号的调制信号输入端和用于输入偏置电压信号的偏置电压输入端。

在一个实施例中，所述调制信号的调制频率根据预设的模式变化。本发明采用电光调制技术，调制频率可捷变，调制速度快，通过改变调制频率，调制信号的调制频率根据预设的模式变化，增大敌方破解频率的难度，进一步提高激光雷达的抗干扰性。

具体的，调制频率可为每隔预定的时间间隔改变一次，例如每小时改变一次频率。或者按照其他预定的规律对调制频率加密，从而实现抗干扰的目的。

在一个实施例中，如图6所示，所述光学收发模块600包括光纤环形器601和收发望远镜602；所述光纤环形器601用于将输入的光信号输出至收发望远镜602，并将收发望远镜602接收的信号输出至平衡光电探测器700；所述收发望远镜602用于将光信号输出到目标物，并接收目标物返回的信号。

在一个实施例中，如图7所示，所述光学收发模块600包括发射望远镜603和接收望远镜604；所述发射望远镜603用于将输入的光信号输出至目标物；所述接收望远镜604用于接收目标物返回的信号，并将接收到的信号输出至平衡光电探测器700。

为了避免发生受激布里渊散射，光纤放大器500输出的每个频率的激光信号功率都小于该频率对应的受激布里渊散射的阈值光功率。

综上所述，本发明具有下述有益效果：

(1)本发明通过电光调制技术对激光载波信号进行调制，能够产生多个不同波长的激光信号，实现多波长同时输出的相干激光雷达，提升相干激光雷达的探测能力。

(2)本发明通过电光调制技术对激光载波信号进行调制产生多个不同波长的激光信号，不同波长的激光信号同时出射，能够实现在不激发受激布里渊散射的前提下提高出射激光的功率，解决了激光器脉冲峰值功率受限的问题，显著地提高了相干激光雷达的信噪比，有效提高了探测距离，且不需要脉冲积累时间，不牺牲探测时间和距离分辨率。

(3)本发明采用电光调制对激光载波信号调制，调制方式灵活，既可以采用强度调制方法，也可以采用相位调制或频率调制方法产生多个边频信号。

(4)本发明采用电光调制技术，调制频率可捷变，实现速度快，通过改变调制频率，调制信号的调制频率根据预设的模式变化，增大敌方破解频率的难度，进一步提高激光雷达的抗干扰性。

(5)本发明设置第一滤波器，通过调制第一滤波器来调制激光载波信号的透过率，从而平衡出射激光不同频率的光强，提高相干激光雷达测量效率和信号处理效率。

(6)本发明通过对激光载波信号进行抑制载波双边频调制，以使激光载波信号的强度I

(7)在数据处理方面，本发明能够实现多波长同时探测，因此，对平衡光电探测器输出的拍频信号进行傅里叶变换后会相应地产生多个移频信号，由于电光调制的调制频率已知，移频信号的间距已知，通过多个移频信号的频率间隔特征能够快速锁定目标信号，不需要很高的信噪比就能迅速锁定频移量，从而准确地提取多普勒频移。本发明能够大大提高相干激光雷达在弱信号中提取信号的能力。

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。