CN221148921U - 一种激光线性频率调节*** - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供的一种激光线性频率调节***，包括半导体激光器、分光装置、延迟光路、光干涉装置、信号处理装置、信号采集装置、控制***和电信号发生器；本实用新型的技术方案，通过控制***对电压函数修正，进而控制电信号发生器输出修正后的电信号，从而对半导体激光器输出的激光频率修正，使得半导体激光器输出的激光频率满足线性变化；解决了内调制激光器输出激光频率的非线性效应，可以使激光器发射出准确的线性频率调制的激光，确保应用到FMCW激光雷达中，雷达的测量准确性。

Description

一种激光线性频率调节***

技术领域

本实用新型实施例涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光线性频率调节***。

背景技术

FMCW激光雷达，是现在一种比较新兴的激光雷达技术，较传统雷达，其使用频率连续变化的调制激光，采用相干技术进检测，可以在获得距离的同时，还可以获得速度信息，同时相干检测又有很高的抗干扰性。

现在的FMCW激光雷达，一般采用线性频率调制的光源，也就是激光的频率成线性/三角波形式变化，一般完成此项工作，一般有外调制和内调制两种，而外调制的形式需要额外增加外调制器，同时外调制器还会带来光强的衰减，所以内调制的方法有更大的优势，内调试就是直接将电压信号加载在激光器供电上的方式，通过电压的该变化，引起半导体激光器中载流子的变化，从而引起折射率的变化，引起波长的变化的技术。

在现在内调制技术中，理想情况是加入线性变化的电压就可以得到线性变化的频率，但是实际器件中，由于载流子弛豫时间，温度变化影响等一些实际的内外部因素，导致调制激光时的输入和输出的关系是无法预测的。

实用新型内容

本实用新型提供一种激光线性频率调节***，以通过控制***对输出的电压函数修正，进而对电信号发生器输出的电信号修正，从而使半导体激光器输出的激光频率满足线性变化。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种激光线性频率调节***，包括半导体激光器、分光装置、延迟光路、光干涉装置、信号处理装置、信号采集装置、控制***和电信号发生器；所述控制***包括初始电压函数输出端，所述初始电压函数输出端与所述电信号发生器的输入端电连接；所述电信号发生器包括初始电压信号输出端，与所述半导体激光器的输入端电连接；所述半导体激光器包括初始调制频率激光输出端，与所述分光装置的输入端连接；所述分光装置包括第一激光束输出端和第二激光束输出端；所述第一激光束输出端与所述光干涉装置的输入端连接；所述分光装置的第二激光束输出端与所述延迟光路的接收端连接；所述延迟光路包括延迟激光输出端；所述延迟激光输出端和所述第一激光束输出端均与所述光干涉装置的输入端连接；所述光干涉装置包括干涉激光输出端；所述干涉激光输出端与所述信号处理装置的输入端连接；所述信号处理装置包括滤波放大端，与所述信号采集装置的输入端连接；所述信号采集装置包括拍频信号输出端，与所述控制***的输入端连接；所述初始电压函数输出端复用为修正电压函数输出端；所述初始电压信号输出端复用为修正电压信号输出端；所述初始调制频率激光输出端复用为修正调制频率激光输出端。

可选地，所述分光装置为光纤分光器；

光纤分光器的输入端与所述半导体激光器的初始调制频率激光输出端连接；所述光纤分光器的第二激光束输出端与所述延迟光路的接收端连接；所述光纤分光器的第一激光束输出端与所述光干涉装置的输入端连接。

可选地，所述延迟光路为延迟光纤；所述延迟光纤的一端作为所述延迟光路的接收端与所述分光装置的第二激光束输出端连接，另一端作为所述延迟光路的输出端与所述光干涉装置的输入端连接。

可选地，所述光干涉装置为光耦合器；所述光耦合器的第一输入端与所述分光装置的第一激光束输出端连接；所述光耦合器的第二输入端与所述延迟光路的输出端连接。

可选地，所述信号采集装置为示波器，所述示波器的输入端与所述信号处理装置的滤波放大端连接，所述示波器的拍频信号输出端与所述控制***的输入端连接。

可选地，所述信号采集装置为信号采集电路***，包括模数转换芯片；所述信号采集电路***的输入端与所述信号处理装置的滤波放大端连接，所述电路***的拍频信号输出端与所述控制***的输入端连接。

可选地，所述信号处理装置为平衡探测器；所述平衡探测器的输入端与所述光干涉装置的输出端连接，所述平衡探测器的滤波放大端与所述信号采集装置的输入端连接。

可选地，所述电信号发生器为信号发生电路***，包括数模转换芯片；所述信号发生电路***的输入端与所述控制***的初始电压函数输出端连接；所述信号发生电路***的初始电压信号输出端与所述半导体激光器的输入端连接。

可选地，所述控制***还包括存储单元，与所述信号采集装置电连接，存储所述信号采集装置中的信号数据。

本实用新型实施例提供的一种激光线性频率调节***，包括半导体激光器、分光装置、延迟光路、光干涉装置、信号处理装置、信号采集装置、控制***和电信号发生器；控制***包括初始电压函数输出端，初始电压函数输出端与电信号发生器的输入端电连接；电信号发生器包括初始电压信号输出端，与半导体激光器的输入端电连接；半导体激光器包括初始调制频率激光输出端，与分光装置的输入端连接；分光装置包括第一激光束输出端和第二激光束输出端；第一激光束输出端与光干涉装置的输入端连接；分光装置的第二激光束输出端与延迟光路的接收端连接；延迟光路包括延迟激光输出端；延迟激光输出端和第一激光束输出端均与光干涉装置的输入端连接；光干涉装置包括干涉激光输出端；干涉激光输出端与信号处理装置的输入端连接；信号处理装置包括滤波放大端，与信号采集装置的输入端连接；信号采集装置包括拍频信号输出端，与控制***的输入端连接；初始电压函数输出端复用为修正电压函数输出端；初始电压信号输出端复用为修正电压信号输出端；初始调制频率激光输出端复用为修正调制频率激光输出端，通过控制***对电压函数修正，进而控制电信号发生器输出修正后的电信号，从而对半导体激光器输出的激光频率修正，使得半导体激光器输出的激光频率满足线性变化；解决了内调制激光器输出激光频率的非线性效应，可以使激光器发射出准确的线性频率调制的激光，确保应用到FMCW激光雷达中，雷达的测量准确性。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种激光线性频率调节***的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种激光线性频率调节***控制方法的流程框图；

图3是本实用新型实施例提供的一种非线性变化的激光频率示意图；

图4是图3所示A区域的拍频信号频率变化图；

图5是本实用新型实施例提供的一种线性变化的激光频率示意图；

图6是图5所示A区域的拍频信号频率变化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。需要注意的是，本实用新型实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本实用新型实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”。

需要注意，本实用新型中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对相应内容进行区分，并非用于限定顺序或者相互依存关系。

需要注意，本实用新型中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

图1是本实用新型实施例提供的一种激光线性频率调节***的结构示意图，参考图1，包括半导体激光器10、分光装置20、延迟光路30、光干涉装置40、信号处理装置50、信号采集装置60、控制***70和电信号发生器80；控制***70包括初始电压函数输出端，初始电压函数输出端与电信号发生器80的输入端电连接；电信号发生器80包括初始电压信号输出端，与半导体激光器10的输入端电连接；半导体激光器10包括初始调制频率激光输出端，与分光装置20的输入端连接；分光装置20包括第一激光束输出端和第二激光束输出端；第一激光束输出端与光干涉装置40的输入端连接；分光装置20的第二激光束输出端与延迟光路30的接收端连接；延迟光路30包括延迟激光输出端；延迟激光输出端和第一激光束输出端均与光干涉装置40的输入端连接；光干涉装置40包括干涉激光输出端；干涉激光输出端与信号处理装置50的输入端连接；信号处理装置50包括滤波放大端，与信号采集装置60的输入端连接；信号采集装置60包括拍频信号输出端，与控制***70的输入端连接；初始电压函数输出端复用为修正电压函数输出端；初始电压信号输出端复用为修正电压信号输出端；初始调制频率激光输出端复用为修正调制频率激光输出端。

具体的，图2是本实用新型实施例提供的一种激光线性频率调节***控制方法的流程框图，参考图1、图2，为了使半导体激光器10出射线性频率的激光，需要使用控制***70通过初始电压函数输出端向电信号发生器80输出初始电压函数，从而控制电信号发生器80通过初始电压信号输出端向半导体激光器10输出初始的频率线性变化的电压信号，以使半导体激光器10中载流子的折射率发生变化，从而使得半导体激光器10的初始调制频率激光输出端输出线性变化频率的激光；然而上述情况为理想环境下，在实际操作过程中由于载流子弛豫时间，温度变化影响等一些实际的内外部因素影响，导致调制激光时的输入和输出的关系是无法预测的，即对半导体激光器10施加线性频率的电压信号后，其输出的激光频率不一定呈线性变化，因此还需要对电压进行调制，直至半导体激光器10输出的激光呈线性频率变化；具体的，半导体激光器10的初始调制频率激光输出端输出的激光，通过光纤传播至分光装置20；在本实用新型其他实施例中，相邻的光学模块除通过光纤连接以外，也可以是空间光的，也可以是芯片光波导的，本实用新型对此不作限定；分光装置20将激光分为两路以后，通过第一激光束输出端将第一激光束输入至光干涉装置40；通过第二激光束输出端将第二激光束输入至延迟光路30；延迟光路30将第二激光束延迟后，通过延迟激光输出端输出至光干涉装置40；光干涉装置40将延迟后的第二激光束和第一激光束干涉后形成干涉激光并通过干涉激光输出端传输至信号处理装置50，信号处理装置50将干涉激光由光信号转换为电信号，并对其进行滤波放大，通过滤波放大端传输给信号采集装置60，信号采集装置60对信号进行采集并得到拍频信号；需要说明的是，由于光谱仪无法探测到光频中的微小变化，从而不能判断该频率是否为线性变化，因此本实用新型实施例选用延迟光路30、光干涉装置40和信号处理装置50对初始输入的激光进行拍频和光电装换，得到拍频(差频)信号，电信号的拍频(差频)信号可以用电学设备采集到，或用示波器看到，进而判断其是否呈线性变化；在本实用新型一实施例中，信号采集装置60可以为示波器，对此不作限定。

图3是本实用新型实施例提供的一种非线性变化的激光频率示意图；图4是图3所示A区域的拍频信号频率变化图；参考图3、图4，非线性变化频率在经过时间t延迟后，与其未延迟前的信号在某一稳定区域A内的信号差，即拍频信号的频率也呈非线性变化；图5是本实用新型实施例提供的一种线性变化的激光频率示意图；图6是图5所示A区域的拍频信号频率变化图，参考图5、图6，而线性变化频率在经过时间t延迟后与其未延迟前的信号在某一稳定区域A的信号差即拍频信号的频率呈线性变化，因此可以通过拍频信号的频率来判断初始信号的频率是否呈线性变化。

控制***70获取到信号采集装置60的信号后，计算该信号的非线性度，并对其补偿修正，在初始电压函数的基础上将其修正为修正电压函数，并通过修正电压函数输出端输出至电信号发生器80，电信号发生器80根据修正电压函数生成修正后的电压信号，并通过修正电压信号输出端输出修正电压信号至半导体激光器10的输入端，半导体激光器10内的载流子在施加电压后发生改变，从而使得半导体激光器10的修正调制频率激光输出端输出修正后的线性频率激光。

参考图2，在本实用新型一可选实施例中，控制***70在初始电压函数的基础上以预设步长对其进行修正，从而对初始电压信号以预设步长修正，进而对初始调制频率激光以预设步长修正，直至得到频率满足线性变化的激光；而当上述迭代流程满足预设迭代次数后，此时的激光频率仍未满足线性变化；应用到实际操作中，为了防止影响后续流程，控制***70控制迭代停止并输出最后一次迭代时该频率下的激光；或者未满足预设迭代次数或线性度未达到要求时，用户也可手动控制控制***70停止迭代，对此不作限定。

本实用新型实施例提供的一种激光线性频率调节***，包括半导体激光器、分光装置、延迟光路、光干涉装置、信号处理装置、信号采集装置、控制***和电信号发生器；控制***包括初始电压函数输出端，初始电压函数输出端与电信号发生器的输入端电连接；电信号发生器包括初始电压信号输出端，与半导体激光器的输入端电连接；半导体激光器包括初始调制频率激光输出端，与分光装置的输入端连接；分光装置包括第一激光束输出端和第二激光束输出端；第一激光束输出端与光干涉装置的输入端连接；分光装置的第二激光束输出端与延迟光路的接收端连接；延迟光路包括延迟激光输出端；延迟激光输出端和第一激光束输出端均与光干涉装置的输入端连接；光干涉装置包括干涉激光输出端；干涉激光输出端与信号处理装置的输入端连接；信号处理装置包括滤波放大端，与信号采集装置的输入端连接；信号采集装置包括拍频信号输出端，与控制***的输入端连接；初始电压函数输出端复用为修正电压函数输出端；初始电压信号输出端复用为修正电压信号输出端；初始调制频率激光输出端复用为修正调制频率激光输出端，通过控制***对电压函数修正，进而控制电信号发生器输出修正后的电信号，从而对半导体激光器输出的激光频率修正，使得半导体激光器输出的激光频率满足线性变化；解决了内调制激光器输出激光频率的非线性效应，可以使激光器发射出准确的线性频率调制的激光，确保应用到FMCW激光雷达中，雷达的测量准确性。

可选地，控制***70还包括存储单元，与信号采集装置60电连接，存储信号采集装置60中的信号数据。具体的，在根据信号采集装置60中初始激频率计算该频率的非线性度，并对其修正得到修正调制频率激光后，控制***70还将上述数据存储到存储单元，以便后续研发人员进行查看和分析。

可选地，分光装置20为光纤分光器；光纤分光器的输入端与半导体激光器10的初始调制频率激光输出端连接；光纤分光器的第二激光束输出端与延迟光路30的接收端连接；光纤分光器的第一激光束输出端与光干涉装置40的输入端连接。延迟光路30为延迟光纤；延迟光纤的一端作为延迟光路30的接收端与分光装置20的第二激光束输出端连接，另一端作为延迟光路30的输出端与光干涉装置40的输入端连接。光干涉装置40为光耦合器；光耦合器的第一输入端与分光装置20的第一激光束输出端连接；光耦合器的第二输入端与延迟光路30的输出端连接；光耦合器的干涉激光输出端与信号处理装置50的输入端连接。信号处理装置50为平衡探测器；平衡探测器的输入端与光干涉装置40的输出端连接，平衡探测器的滤波放大端与信号采集装置60的输入端连接。信号采集装置60为示波器，示波器的输入端与信号处理装置50的滤波放大端连接，示波器的拍频信号输出端与控制***70的输入端连接。可选地，信号采集装置还可以为信号采集电路***，包括模数转换芯片；本实用新型实施例对此不作限定；电信号发生器80为信号发生电路***，包括数模转换芯片；信号发生电路***的输入端与控制***70的初始电压函数输出端连接；信号发生电路***的初始电压信号输出端与半导体激光器10的输入端连接。

具体的，在本实用新型一实施例中，控制***控制电信号发生器发出预设电信号，电信号发生器输出的电信号，接入到半导体激光器10的输入电源上，使半导体激光器10的供电发生周期性变化，此时半导体激光器10在周期性变化的供电的作用下，就会产生频率周期性变化的激光，半导体激光器10发出的频率周期调制的光，进入光纤分光器，分光器将一路光分成两路，其中一路输出为本振光，直接接入到光纤耦合器的一个输入端，分光器的另一个输出端接入延迟光纤，经过一定长度的延迟后，延迟光纤的输出端接入到光纤耦合器的另一个输入端，之后将光纤耦合器的两个输出端，接入平衡探测器的输入光接口，进行相干探测，平衡探测器将光信号转变成电信号，并进行滤波放大，将处理完的电信号输出给示波器，用示波器进行探测，控制电脑按照程序设定对示波器进行数据采集，采集完成中，程序使用算法，确定单周期，计算非线性度，计算补偿函数，确定本次的输出函数，然后将输出函数输出给信号发生器，进行新一轮的操作，直至半导体激光器10输出的激光频率呈线性变化。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种激光线性频率调节***，其特征在于，包括半导体激光器、分光装置、延迟光路、光干涉装置、信号处理装置、信号采集装置、控制***和电信号发生器；

所述控制***包括初始电压函数输出端，所述初始电压函数输出端与所述电信号发生器的输入端电连接；

所述电信号发生器包括初始电压信号输出端，与所述半导体激光器的输入端电连接；

所述半导体激光器包括初始调制频率激光输出端，与所述分光装置的输入端连接；

所述分光装置包括第一激光束输出端和第二激光束输出端；所述第一激光束输出端与所述光干涉装置的输入端连接；所述分光装置的第二激光束输出端与所述延迟光路的接收端连接；

所述延迟光路包括延迟激光输出端；所述延迟激光输出端和所述第一激光束输出端均与所述光干涉装置的输入端连接；

所述光干涉装置包括干涉激光输出端；所述干涉激光输出端与所述信号处理装置的输入端连接；所述信号处理装置包括滤波放大端，与所述信号采集装置的输入端连接；所述信号采集装置包括拍频信号输出端，与所述控制***的输入端连接；

所述初始电压函数输出端复用为修正电压函数输出端；所述初始电压信号输出端复用为修正电压信号输出端；所述初始调制频率激光输出端复用为修正调制频率激光输出端。

2.根据权利要求1所述的调节***，其特征在于，所述分光装置为光纤分光器；

光纤分光器的输入端与所述半导体激光器的初始调制频率激光输出端连接；所述光纤分光器的第二激光束输出端与所述延迟光路的接收端连接；所述光纤分光器的第一激光束输出端与所述光干涉装置的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的调节***，其特征在于，所述延迟光路为延迟光纤；所述延迟光纤的一端作为所述延迟光路的接收端与所述分光装置的第二激光束输出端连接，另一端作为所述延迟光路的输出端与所述光干涉装置的输入端连接。

4.根据权利要求1所述的调节***，其特征在于，所述光干涉装置为光耦合器；所述光耦合器的第一输入端与所述分光装置的第一激光束输出端连接；所述光耦合器的第二输入端与所述延迟光路的输出端连接；所述光耦合器的干涉激光输出端与所述信号处理装置的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的调节***，其特征在于，所述信号处理装置为平衡探测器；所述平衡探测器的输入端与所述光干涉装置的输出端连接，所述平衡探测器的滤波放大端与所述信号采集装置的输入端连接。

6.根据权利要求1所述的调节***，其特征在于，所述信号采集装置为示波器，所述示波器的输入端与所述信号处理装置的滤波放大端连接，所述示波器的拍频信号输出端与所述控制***的输入端连接。

7.根据权利要求1所述的调节***，其特征在于，所述信号采集装置为信号采集电路***，包括模数转换芯片；所述信号采集电路***的输入端与所述信号处理装置的滤波放大端连接，所述电路***的拍频信号输出端与所述控制***的输入端连接。

8.根据权利要求1所述的调节***，其特征在于，所述电信号发生器为信号发生电路***，包括数模转换芯片；所述信号发生电路***的输入端与所述控制***的初始电压函数输出端连接；所述信号发生电路***的初始电压信号输出端与所述半导体激光器的输入端连接。

9.根据权利要求1所述的调节***，其特征在于，所述控制***还包括存储单元，与所述信号采集装置电连接，存储所述信号采集装置中的信号数据。