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1.5μm人眼安全光纤激光器—高性能激光雷达光源解决方案
材料来源:长进激光           录入时间:2021/7/5 23:51:25

近年来,随着无人驾驶、遥感测绘等新技术的飞速发展,激光雷达作为一种环境感知传感器,越来越受到重视,显示出巨大的市场前景!激光雷达结合了激光与传统雷达具有的特性,具有距离分辨率高、抗干扰能力强、体积小等优势,现已在无人驾驶、车辆安全预警、测距、测风等领域中广泛应用。

激光雷达一般是由激光器、激光发射机、激光接收机、光电探测器、计算机处理等模块构成。它是将激光作为信号源,并与激光接收机接收的信号做比较,用相位、频率、偏振以及振幅等参数通过计算机处理得到我们想要的信息。

图1   激光雷达简易结构及流程图

应用领域:

激光测风雷达

为了倡导绿色低碳发展,风力发电在近几年呈现飞速发展,通过激光测风雷达能获取精确可靠的风场信息,从而及时旋转风扇,有利于提高风电的利用率。同时也可以提高飞行器件和高空装置在空中的安全性。因此激光测风雷达对风力发电,航空飞行、气象预测、军事等领域都具有非常重要的意义。

测风雷达的原理就是通过激光器产生的信号光通过光学天线发射到待测空气中,脉冲激光与大气中的气溶胶颗粒相互作用产生携带其速度信息的后向散射信号。由多普勒原理可知,回波信号的多普勒频移与气溶胶颗粒运动速度(即风速)成正比,因此,光学天线接收到的后向散射信号通过和系统内光纤激光器产生的本振光拍频进行数字解调,即可进行算法处理进而得到待测目标的风场信息。

激光测距雷达

激光测距方法可分为两种类型:脉冲激光测距(图2所示)和相位激光测距(图3所示)。脉冲激光测距的基本原理是激光器发射激光束,该激光束在击中障碍物后被反射回来并被激光接收系统接收和处理,通过激光器发射信号和反射信号的时间差,就可以计算出目标距离。相位激光测距的基本原理是通过传感器接收信号的相位与发射信号的相位差来计算与目标的距离。

图2  脉冲式激光测距

脉冲激光测距通过公式1来进行计算:

L= cΔt/2      公式1

其中:式中L为测量距离,c为光在空气中传播的速度, Δt为光波信号在测距仪与目标往返的时间。

图3 相位式激光测距

相位激光测距通过公式2来进行计算

2L=Ф·c·T/2π   公式2

其中:L为测量距离,c为光在空气中传播的速度,T为调制信号的周期时间, ?为发射与接收波形的相位差。

脉冲式激光由于激光发散角小、脉冲间隔较小、瞬间功率较高,可以进行远距离的测量。相位式激光测距适用于中距离的测量,同时需要对调整信号的频率进行合理选择,如果选择不当,会出现测距不准的情况,选择信号频率越高,得到的分辨率就越高,测量精度就越高,测量距离就越小。

车载激光雷达

无人驾驶技术是多个技术领域的集成,包括车载激光雷达、高精度地图、路径规划、车辆能耗管理、GPS定位等等,其中最核心的部件为激光雷达,也是目前制约无人驾驶汽车普及的一个重要因素。

车载激光雷达的基本工作原理就是激光光源向目标物体发射激光,通过激光返回的时间差确定与目标物体的间距,同时根据距离以及激光发射角度,判断出目标物体的大致位置

对于高速行驶的无人驾驶汽车来说,为了实时并准确的获取车辆定位信息,需要通过车载激光雷达探测周围的环境信息去精确定位车辆位置,这些信息可以组成所谓的点云并绘制出周围环境高精度3D地图,从而保证无人驾驶的安全性能。

激光雷达光源

激光光源是激光雷达信号发生装置,直接决定了激光雷达的性能。传统的激光雷达的激光一般采用905nm半导体激光作为光源,具有激光器件相对成熟、成本低等优点;同时太阳光中存在较多近红外背景光,传感器信噪比物理上受限,最大探测距离限制在150米左右;发散角大,成像不清晰等缺点。

相较而言,1550nm波长处在人眼安全范围内,其人眼安全的上线远大于905nm(约2个数量级)。另外,1550nm远离太阳红外背景光,抗干扰能力强,可以实现远距离探测;同时采用相干技术,探测器只对自身发射的激光回波响应,信噪比远高于905nm-ToF激光雷达,最大探测距离可以达到1000米以上,特殊场景下可以达到数公里。由于采用光纤激光器方案,因此具有较好的光束质量及较小的发散角,具有更清晰的成像。因此1550nm的光纤激光作为激光雷达光源已经成为高端激光雷达发展的一种趋势。

1550nm光纤激光器使用的增益介质是铒纤及铒镱共掺光纤,光纤激光器具有体积小、转换效率高、光束质量好等优点。1550nm光纤激光器使用掺铒光纤对激光进行放大,但是铒离子容易出现团簇现象且高掺杂容易引起浓度淬灭,难以实现高功率输出。因此高功率的1550光纤激光器一般通过980nm泵浦与单模铒纤进行第一级预防大,二级放大则采用915nm泵浦与双包层铒镱共掺光纤完成,见图4所示。

图4 1550nm光纤激光器功率放大简易流程图

1.5μm激光雷达具有很多优势,但由于很多核心器件受限于国外,成本一直无法降低。并且使我国很多相关领域的发展都受限于国外,不利于自身核心技术的发展和风险的降低。

1.5μm光纤激光器的输出功率很大程度上是由增益光纤的性能来决定的,武汉长进激光技术有限公司(简称长进激光)经过多年的技术积累和创新研发,在1.5μm激光雷达光源用增益光纤上率先实现国产化。长进激光自主研发的6/125掺铒光纤以及10/125双包层铒镱共掺光纤已成功应用在红外测距公司的1550nm脉冲光纤激光器中,在一级放大和二级放大系统中的性能上,均达到或超过国外知名厂商水平。图5为铒镱共掺光纤的光纤截面图(左)与斜率效率(右),具有高的光光转化效率,较高的吸收系数保证了输出功率。

图5  铒镱共掺光纤截面图与斜率效率

目前光纤激光雷达朝着小型化、低成本、结构简单、高精度、高适用范围的方向发展,特别是随着数字处理技术的发展,光纤激光技术将变的更加完善。随着科学技术的发展,1.5μm光纤激光雷达一定会得到越来越广泛的应用,长进激光也必然会持续发展1.5um激光雷达用增益光纤,为更多激光领域的企业提供更加优质的产品。


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