╱ 激光雷達 ╱

激光雷達，也稱光學(xué)雷達（Light Detection and Ranging），是激光探測與測距系統(tǒng)的簡稱，廣泛應(yīng)用于自動駕駛汽車、無人機、自主機器人、衛(wèi)星、火箭等領(lǐng)域。它通過測定傳感器發(fā)射器與目標物體之間的傳播距離，分析目標物體表面的反射能量大小、反射波譜的幅度、頻率和相位等信息，從而呈現(xiàn)出目標物精確的三維結(jié)構(gòu)信息。它由激光發(fā)射機、光學(xué)接收機、轉(zhuǎn)臺和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機再把從目標反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。

聲光移頻是激光雷達系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，可根據(jù)信號處理的要求需要移動中心頻率與本振光進行拍頻得到中頻信號，通過信號處理得到多普勒頻移量的大小，最終反演出目標物信息。

一

╱ 光纖耦合型聲光移頻器工作原理 ╱

聲光移頻器是頻率調(diào)制方式的器件，它通過改變驅(qū)動頻率來達到改變激光光束的頻率值，大多應(yīng)用于激光多普勒測速、光學(xué)陀螺儀[2]、光纖直徑自動控制儀等。根據(jù)聲光效應(yīng)入射光子、衍射光子與聲子之間的能量守恒定律，超聲波頻率被疊加到入射光頻上，實現(xiàn)聲光移頻，即ωi±ωs=ωd，其中 ωd為布拉格衍射頻率，ωi為入射光頻率，ωs為聲光介質(zhì)中聲波頻率。我們所說的移頻頻率，即衍射光的頻率相對于入射光的頻率移動的頻率值，移頻頻率在數(shù)值上等于器件的載波信號頻率。如果聲波和光波的入射方向相同，則激光頻移量為正值，如果入射方向相反，則激光頻移量為負值[3]。

圖1-1 聲光移頻原理

光纖耦合型聲光移頻器是在自由空間型聲光移頻器兩側(cè)用光纖準直器進行光耦合，使其更方便用于光纖系統(tǒng)中。輸入光經(jīng)由輸入準直器傳輸至聲光晶體中，由于多普勒頻移，在射頻驅(qū)動器的作用下產(chǎn)生衍射光，衍射光的頻移量等于射頻信號的頻率，從而實現(xiàn)移頻。移頻后的一級衍射光經(jīng)由輸出準直器傳輸至輸出光纖末端，輸出移頻光。光纖耦合聲光移頻器的移頻量和移頻精度主要由射頻功率信號決定，在保證射頻功率信號的穩(wěn)定度的情況下，達到較高移頻精度。通過CAN通訊對輸出頻率進行更改，產(chǎn)生穩(wěn)定的信號，實現(xiàn)移頻。

圖1-2 光纖耦合型聲光移頻器光路

為了提高系統(tǒng)信噪比，實現(xiàn)激光精確移頻，光纖耦合型聲光移頻器需滿足插入損耗低、消光比高、移頻精度高及移頻穩(wěn)定度高的要求。

1

插入損耗

在光纖聲光移頻器中，影響插入損耗的因素主要有光纖準直器耦合損耗、衍射損耗及晶體反射吸收損耗三方面。在實際中，光纖準直器耦合損耗和晶體反射吸收損耗較小，主要考慮衍射損耗。衍射損耗是由晶體衍射效率的高低決定，衍射效率計算公式為

式中：M2為材料聲光優(yōu)值；L為聲光互作用長度；Pa為聲功率；H為聲光互作用寬度。

2

消光比

在系統(tǒng)中高消光比主要是為了消除０級光和雜散光的影響，提高整個系統(tǒng)的信噪比。主要影響器件消光比的因素有兩個：衍射光和0級光滿足完全可分離條件；驅(qū)動源開關(guān)比足夠大，能抑制輸出光的基底噪聲。

3

頻率精度和穩(wěn)定度

驅(qū)動器的頻率精度和穩(wěn)定度關(guān)系到移頻頻率的精度和穩(wěn)定度。因此需要選擇具有高精度、高穩(wěn)定度和快速穩(wěn)定的有源晶振作為器件理想的信號源，并通過合理的電路設(shè)計，使晶振的供電電源滿足低紋波、低噪聲、高穩(wěn)定的要求。

二

╱ 光纖耦合型聲光移頻器

在激光雷達中的應(yīng)用 ╱

激光雷達系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于軍事和氣象領(lǐng)域，如測風(fēng)激光雷達已被公認為可以快速、準確測量大氣三維風(fēng)場的遙感設(shè)備。激光測風(fēng)雷達的一個重要應(yīng)用是數(shù)值天氣預(yù)報，它可以觀測到三維風(fēng)場的垂直剖面，提高實測風(fēng)場的分辨率，有利于實測風(fēng)場的統(tǒng)計分析和數(shù)值天氣預(yù)報方法的改進[4]。

激光雷達是通過照射到所測目標的散射信號的頻移量，以探測識別目標。人們常在測量光路中加上固定的頻移來實現(xiàn)頻移量的測量。對此聲光移頻具有較大優(yōu)勢：

（1）聲光移頻器結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成；

（2）聲光移頻衍射效率高，可實現(xiàn)較高的光透過率；

（3）在多普勒激光雷達系統(tǒng)中，最大測量速度直接由頻移量決定，所以聲光移頻的方法更合適，因為其頻移量較大，通常為107-108 Hz[5]。

聲光移頻器在激光雷達中主要用于測距、測速等應(yīng)用。

1

測距

由激光器產(chǎn)生一個光脈沖，該光脈沖攜帶經(jīng)調(diào)制的發(fā)射信號，由系統(tǒng)記錄發(fā)射的時間或者表征發(fā)射時間的某一信息，如相位或時間等。照射于目標之后，該脈沖返回系統(tǒng)。此時返程信號與發(fā)射信號相比，攜帶了一個由目標與系統(tǒng)之間距離而產(chǎn)生的時間延遲τ。接收到返程信號之后，返程信號與發(fā)射信號二者進行相關(guān)處理，得到時間延遲τ。通過時間延遲τ，計算得出目標距系統(tǒng)距離R。激光雷達測距是通過測量發(fā)射信號與返程信號的相對時間延遲τ來得到距離信息。換而言之，激光雷達測距的過程，實際上就是獲得返程信號與發(fā)射信號之間時間延遲τ的過程[6]。

圖2-1 基于聲光相關(guān)器的測距激光雷達系統(tǒng)設(shè)計圖[6]

2

測速

速度測量的應(yīng)用通常體現(xiàn)在多普勒測速儀中。多普勒測速儀的基本原理是根據(jù)多普勒現(xiàn)象運動粒子散射的光發(fā)生頻移，相對頻移有?v/v=u/(c-u)≈u/c決定，其中u為散射粒子速度在散射光方向的分量，c為光速。測定散射光和入射光的拍頻?v即可測定速度u。但是當(dāng)粒子的流速比較大，甚至有可能達到超音速時，拍頻也相應(yīng)地增大，直接測定比較困難。通過聲光移頻器可以解決這一問題，即用衍射光和散射光進行差頻，這樣大大提高了激光測速儀的測量范圍和精度[7]。

傳感測量運用相干探測的方法，實現(xiàn)外差探測主要依靠聲光移頻器（AOFS）使激光頻率發(fā)生偏移，在后期獲得固定的中頻信號。利用 AOFS 的外差探測系統(tǒng)能有效克服低頻噪聲對微多普勒效應(yīng)探測的影響，在相同探測條件下，能獲得比零差探測結(jié)構(gòu)更高的信噪比和更明顯的目標微動特征，有利于遠距離目標的探測和識別[8]。

圖2-1 微多普勒激光相干平衡外差探測[8]

目前有單聲光移頻器和雙聲光移頻器兩種測量方式。聲光移頻器工作時，輸出衍射光的頻率隨驅(qū)動信號的頻率發(fā)生同步變化。由于系統(tǒng)本身存在頻率漂移，單聲光移頻器系統(tǒng)的測量精度會被驅(qū)動信號的頻率穩(wěn)定度影響。而雙聲光移頻器系統(tǒng)通過采用雙聲光移頻器，使兩路信號具有相同的頻率漂移量，并通過振動信息提取算法降低聲光移頻器驅(qū)動信號頻率漂移的影響，得到穩(wěn)定的多普勒移頻量。因此雙聲光移頻器構(gòu)成的外差式激光多普勒測振計能夠更準確獲取振動頻率信息，系統(tǒng)本底噪音譜線的起伏程度得到明顯抑制，本底噪音曲線呈平坦分布，平坦的低頻噪音譜線為實現(xiàn)低頻振動信息的非接觸探測和提取提供了新的研究方向[9]。

圖2-2 單聲光移頻器構(gòu)成的

外差式激光多普勒測振計的振動測量[9]

圖2-3 雙聲光移頻器構(gòu)成的

外差式激光多普勒測振計的振動測量[9]

三

╱ 福晶科技光纖耦合型聲光移頻器 ╱

光纖耦合型聲光移頻器可以在激光雷達中提供相應(yīng)的移頻信息，為確認目標物距離、速度等信息提供依據(jù)。目前聲光移頻器還在激光加工機、激光通訊、激光雷達、激光圖像遙感、激光干擾等激光技術(shù)以及材料加工、醫(yī)療手術(shù)等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

福晶科技通過高精度的晶體加工工藝、精準的準直器參數(shù)設(shè)計、精密的結(jié)構(gòu)封裝，為客戶提供高穩(wěn)定性和一致性的光纖耦合型聲光移頻器，具有低插入損耗、響應(yīng)時間快、消光比高等特點。另外，福晶科技可依據(jù)客戶要求，針對產(chǎn)品的中心頻率和頻移量等參數(shù)信息定制相適應(yīng)的器件產(chǎn)品。

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圖3-1 福晶科技光纖耦合型聲光移頻器

福晶科技憑借著從晶體生長、加工鍍膜到制備封裝的完整成熟工藝鏈條，研發(fā)出多款近紅外光纖耦合聲光移頻器，并已推向市場。下面是福晶科技幾款近紅外光纖耦合聲光移頻器的典型指標，我們也可根據(jù)客戶需求進行定制。

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表3-1 福晶科技光纖耦合型聲光移頻器指標

編輯：黃飛

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