激光雷达中的光纤耦合型声光移频器工作原理

╱ 激光雷达 ╱

激光雷达，也称光学雷达（Light Detection and Ranging），是激光探测与测距系统的简称，广泛应用于自动驾驶汽车、无人机、自主机器人、卫星、火箭等领域。它通过测定传感器发射器与目标物体之间的传播距离，分析目标物体表面的反射能量大小、反射波谱的幅度、频率和相位等信息，从而呈现出目标物精确的三维结构信息。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。

声光移频是激光雷达系统中的关键技术之一，可根据信号处理的要求需要移动中心频率与本振光进行拍频得到中频信号，通过信号处理得到多普勒频移量的大小，最终反演出目标物信息。

一

╱ 光纤耦合型声光移频器工作原理 ╱

声光移频器是频率调制方式的器件，它通过改变驱动频率来达到改变激光光束的频率值，大多应用于激光多普勒测速、光学陀螺仪[2]、光纤直径自动控制仪等。根据声光效应入射光子、衍射光子与声子之间的能量守恒定律，超声波频率被叠加到入射光频上，实现声光移频，即ωi±ωs=ωd，其中 ωd为布拉格衍射频率，ωi为入射光频率，ωs为声光介质中声波频率。我们所说的移频频率，即衍射光的频率相对于入射光的频率移动的频率值，移频频率在数值上等于器件的载波信号频率。如果声波和光波的入射方向相同，则激光频移量为正值，如果入射方向相反，则激光频移量为负值[3]。

图1-1 声光移频原理

光纤耦合型声光移频器是在自由空间型声光移频器两侧用光纤准直器进行光耦合，使其更方便用于光纤系统中。输入光经由输入准直器传输至声光晶体中，由于多普勒频移，在射频驱动器的作用下产生衍射光，衍射光的频移量等于射频信号的频率，从而实现移频。移频后的一级衍射光经由输出准直器传输至输出光纤末端，输出移频光。光纤耦合声光移频器的移频量和移频精度主要由射频功率信号决定，在保证射频功率信号的稳定度的情况下，达到较高移频精度。通过CAN通讯对输出频率进行更改，产生稳定的信号，实现移频。

图1-2 光纤耦合型声光移频器光路

为了提高系统信噪比，实现激光精确移频，光纤耦合型声光移频器需满足插入损耗低、消光比高、移频精度高及移频稳定度高的要求。

1

插入损耗

在光纤声光移频器中，影响插入损耗的因素主要有光纤准直器耦合损耗、衍射损耗及晶体反射吸收损耗三方面。在实际中，光纤准直器耦合损耗和晶体反射吸收损耗较小，主要考虑衍射损耗。衍射损耗是由晶体衍射效率的高低决定，衍射效率计算公式为

式中：M2为材料声光优值；L为声光互作用长度；Pa为声功率；H为声光互作用宽度。

2

消光比

在系统中高消光比主要是为了消除０级光和杂散光的影响，提高整个系统的信噪比。主要影响器件消光比的因素有两个：衍射光和0级光满足完全可分离条件；驱动源开关比足够大，能抑制输出光的基底噪声。

3

频率精度和稳定度

驱动器的频率精度和稳定度关系到移频频率的精度和稳定度。因此需要选择具有高精度、高稳定度和快速稳定的有源晶振作为器件理想的信号源，并通过合理的电路设计，使晶振的供电电源满足低纹波、低噪声、高稳定的要求。

二

╱ 光纤耦合型声光移频器

在激光雷达中的应用 ╱

激光雷达系统广泛应用于军事和气象领域，如测风激光雷达已被公认为可以快速、准确测量大气三维风场的遥感设备。激光测风雷达的一个重要应用是数值天气预报，它可以观测到三维风场的垂直剖面，提高实测风场的分辨率，有利于实测风场的统计分析和数值天气预报方法的改进[4]。

激光雷达是通过照射到所测目标的散射信号的频移量，以探测识别目标。人们常在测量光路中加上固定的频移来实现频移量的测量。对此声光移频具有较大优势：

（1）声光移频器结构紧凑，易于集成；

（2）声光移频衍射效率高，可实现较高的光透过率；

（3）在多普勒激光雷达系统中，最大测量速度直接由频移量决定，所以声光移频的方法更合适，因为其频移量较大，通常为107-108 Hz[5]。

声光移频器在激光雷达中主要用于测距、测速等应用。

1

测距

由激光器产生一个光脉冲，该光脉冲携带经调制的发射信号，由系统记录发射的时间或者表征发射时间的某一信息，如相位或时间等。照射于目标之后，该脉冲返回系统。此时返程信号与发射信号相比，携带了一个由目标与系统之间距离而产生的时间延迟τ。接收到返程信号之后，返程信号与发射信号二者进行相关处理，得到时间延迟τ。通过时间延迟τ，计算得出目标距系统距离R。激光雷达测距是通过测量发射信号与返程信号的相对时间延迟τ来得到距离信息。换而言之，激光雷达测距的过程，实际上就是获得返程信号与发射信号之间时间延迟τ的过程[6]。

图2-1 基于声光相关器的测距激光雷达系统设计图[6]

2

测速

速度测量的应用通常体现在多普勒测速仪中。多普勒测速仪的基本原理是根据多普勒现象运动粒子散射的光发生频移，相对频移有∆v/v=u/(c-u)≈u/c决定，其中u为散射粒子速度在散射光方向的分量，c为光速。测定散射光和入射光的拍频∆v即可测定速度u。但是当粒子的流速比较大，甚至有可能达到超音速时，拍频也相应地增大，直接测定比较困难。通过声光移频器可以解决这一问题，即用衍射光和散射光进行差频，这样大大提高了激光测速仪的测量范围和精度[7]。

传感测量运用相干探测的方法，实现外差探测主要依靠声光移频器（AOFS）使激光频率发生偏移，在后期获得固定的中频信号。利用 AOFS 的外差探测系统能有效克服低频噪声对微多普勒效应探测的影响，在相同探测条件下，能获得比零差探测结构更高的信噪比和更明显的目标微动特征，有利于远距离目标的探测和识别[8]。

图2-1 微多普勒激光相干平衡外差探测[8]

目前有单声光移频器和双声光移频器两种测量方式。声光移频器工作时，输出衍射光的频率随驱动信号的频率发生同步变化。由于系统本身存在频率漂移，单声光移频器系统的测量精度会被驱动信号的频率稳定度影响。而双声光移频器系统通过采用双声光移频器，使两路信号具有相同的频率漂移量，并通过振动信息提取算法降低声光移频器驱动信号频率漂移的影响，得到稳定的多普勒移频量。因此双声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计能够更准确获取振动频率信息，系统本底噪音谱线的起伏程度得到明显抑制，本底噪音曲线呈平坦分布，平坦的低频噪音谱线为实现低频振动信息的非接触探测和提取提供了新的研究方向[9]。

图2-2 单声光移频器构成的

外差式激光多普勒测振计的振动测量[9]

图2-3 双声光移频器构成的

外差式激光多普勒测振计的振动测量[9]

三

╱ 福晶科技光纤耦合型声光移频器 ╱

光纤耦合型声光移频器可以在激光雷达中提供相应的移频信息，为确认目标物距离、速度等信息提供依据。目前声光移频器还在激光加工机、激光通讯、激光雷达、激光图像遥感、激光干扰等激光技术以及材料加工、医疗手术等领域中广泛应用。

福晶科技通过高精度的晶体加工工艺、精准的准直器参数设计、精密的结构封装，为客户提供高稳定性和一致性的光纤耦合型声光移频器，具有低插入损耗、响应时间快、消光比高等特点。另外，福晶科技可依据客户要求，针对产品的中心频率和频移量等参数信息定制相适应的器件产品。

图3-1 福晶科技光纤耦合型声光移频器

福晶科技凭借着从晶体生长、加工镀膜到制备封装的完整成熟工艺链条，研发出多款近红外光纤耦合声光移频器，并已推向市场。下面是福晶科技几款近红外光纤耦合声光移频器的典型指标，我们也可根据客户需求进行定制。

表3-1 福晶科技光纤耦合型声光移频器指标

编辑：黄飞