╱ 激光雷達 ╱

激光雷達，也稱光學雷達（Light Detection and Ranging），是激光探測與測距系統的簡稱，廣泛應用于自動駕駛汽車、無人機、自主機器人、衛星、火箭等領域。它通過測定傳感器發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，從而呈現出目標物精確的三維結構信息。它由激光發射機、光學接收機、轉臺和信息處理系統等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發射出去，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中的關鍵技術之一，可根據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制方式的器件，它通過改變驅動頻率來達到改變激光光束的頻率值，大多應用于激光多普勒測速、光學陀螺儀[2]、光纖直徑自動控制儀等。根據聲光效應入射光子、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用光纖準直器進行光耦合，使其更方便用于光纖系統中。輸入光經由輸入準直器傳輸至聲光晶體中，由于多普勒頻移，在射頻驅動器的作用下產生衍射光，衍射光的頻移量等于射頻信號的頻率，從而實現移頻。移頻后的一級衍射光經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，產生穩定的信號，實現移頻。

圖1-2 光纖耦合型聲光移頻器光路

為了提高系統信噪比，實現激光精確移頻，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；驅動源開關比足夠大，能抑制輸出光的基底噪聲。

3

頻率精度和穩定度

驅動器的頻率精度和穩定度關系到移頻頻率的精度和穩定度。因此需要選擇具有高精度、高穩定度和快速穩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計，使晶振的供電電源滿足低紋波、低噪聲、高穩定的要求。

二

╱ 光纖耦合型聲光移頻器

在激光雷達中的應用 ╱

激光雷達系統廣泛應用于軍事和氣象領域，如測風激光雷達已被公認為可以快速、準確測量大氣三維風場的遙感設備。激光測風雷達的一個重要應用是數值天氣預報，它可以觀測到三維風場的垂直剖面，提高實測風場的分辨率，有利于實測風場的統計分析和數值天氣預報方法的改進[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頻移量的測量。對此聲光移頻具有較大優勢：

（1）聲光移頻器結構緊湊，易于集成；

（2）聲光移頻衍射效率高，可實現較高的光透過率；

（3）在多普勒激光雷達系統中，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、測速等應用。

1

測距

由激光器產生一個光脈沖，該光脈沖攜帶經調制的發射信號，由系統記錄發射的時間或者表征發射時間的某一信息，如相位或時間等。照射于目標之后，該脈沖返回系統。此時返程信號與發射信號相比，攜帶了一個由目標與系統之間距離而產生的時間延遲τ。接收到返程信號之后，返程信號與發射信號二者進行相關處理，得到時間延遲τ。通過時間延遲τ，計算得出目標距系統距離R。激光雷達測距是通過測量發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射信號之間時間延遲τ的過程[6]。

圖2-1 基于聲光相關器的測距激光雷達系統設計圖[6]

2

測速

速度測量的應用通常體現在多普勒測速儀中。多普勒測速儀的基本原理是根據多普勒現象運動粒子散射的光發生頻移，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。但是當粒子的流速比較大，甚至有可能達到超音速時，拍頻也相應地增大，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，實現外差探測主要依靠聲光移頻器（AOFS）使激光頻率發生偏移，在后期獲得固定的中頻信號。利用 AOFS 的外差探測系統能有效克服低頻噪聲對微多普勒效應探測的影響，在相同探測條件下，能獲得比零差探測結構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動信號的頻率發生同步變化。由于系統本身存在頻率漂移，單聲光移頻器系統的測量精度會被驅動信號的頻率穩定度影響。而雙聲光移頻器系統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動信號頻率漂移的影響，得到穩定的多普勒移頻量。因此雙聲光移頻器構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的移頻信息，為確認目標物距離、速度等信息提供依據。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以及材料加工、醫療手術等領域中廣泛應用。

福晶科技通過高精度的晶體加工工藝、精準的準直器參數設計、精密的結構封裝，為客戶提供高穩定性和一致性的光纖耦合型聲光移頻器，具有低插入損耗、響應時間快、消光比高等特點。另外，福晶科技可依據客戶要求，針對產品的中心頻率和頻移量等參數信息定制相適應的器件產品。

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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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