[发明专利]一种中远红外波段的并行FMCW激光雷达发射装置及方法

说明书

本发明涉及激光雷达技术领域，更具体地，涉及一种中远红外波段的并行FMCW激光雷达发射装置及方法。激光雷达发射装置，包括激光器、电光调制器、任意函数发生器、硫系芯片、衍射光栅以及光纤链路；所述的激光器的输出端口连接电光调制器的光源输入端口，所述的任意函数发生器的波形输出端口连接电光调制器的微波信号输入端口，所述的硫系芯片的两端通过透镜光纤分别与电光调制器的光信号输出端口和衍射光栅连接。本发明利用硫系微腔的级联四波混频效应，将单一的FMCW转化为中远红外频率梳光源，降低了线性调频窄线宽激光技术的复杂性，极大提高了发送速率。

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，更具体地，涉及一种中远红外波段的并行FMCW激光雷达发射装置及方法。

背景技术

目前市面上激光雷达大多使用“飞行时间-TOF”技术，即发射出离散的光脉冲，使用光电探测器探测返回的光功率，从而计算出距离。TOF技术优点是非常明显的，技术成熟、开发周期短，成本低，但这种直接探测的检测手段导致抗干扰性差、探测距离短等问题，很难满足车规级激光雷达要求。而基于调频连续波(FMCW)方案的激光雷达可以实现相干探测，如专利CN111239754A，2020.06.05，公开了一种基于可调频连续波的激光雷达系统及其成像方法，能有效克服TOF存在的问题，但是，由于目前精确线性调频技术的复杂性使得FMCW激光雷达难以并行发送。FMCW激光雷达原理：由于多普勒效应，发射啁啾信号(绿色)和反射啁啾信号(蓝色)存在频差，而速度和距离信息与频差相关，利用相干探测可以获取频差信息，从而获取每个像素点的距离和速度。这种基于FMCW激光雷达的相干探测具有许多固有的优势，例如增强的距离分辨率，利用多普勒效应直接进行速度检测，避免了太阳光眩光和干扰。但是测量的精度对啁啾斜线的线性度非常敏感，相干检测又要求光源相干性高，这种精确控制线性调频窄线宽激光的技术非常复杂，这对FMCW激光雷达并行测量的实现造成非常大的困难。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种中远红外波段的并行FMCW激光雷达发射装置及方法，降低了装置的复杂性，有效提高了激光发射速率，有助于提高激光雷达的测量速率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种中远红外波段的并行FMCW激光雷达发射装置，包括激光器、电光调制器、任意函数发生器、硫系芯片、衍射光栅以及光纤链路；所述的激光器的输出端口连接电光调制器的光源输入端口，所述的任意函数发生器的波形输出端口连接电光调制器的微波信号输入端口，所述的硫系芯片的两端通过透镜光纤分别与电光调制器的光信号输出端口和衍射光栅连接。

在其中一个实施例中，所述的硫系芯片包括衬底、硫系微环谐振腔以及总线直波导，所述的硫系微环谐振腔和总线直波导均设于衬底的顶部，硫系微环谐振腔与总线直波导相互耦合。硫系芯片由于色散、非线性、腔体泵浦和损耗的双重平衡，使得连续波激光被转换为稳定的光脉冲序列，产生稳定的中远红外波段孤子频梳。

在其中一个实施例中，所述的硫系微环谐振腔的微环半径值为50um～200um，微环厚度为0.7um～1um，微环的宽度为1.9um～2.5um，腔自由光谱FSR为130GHz～520GHz。

在其中一个实施例中，所述的硫系芯片的两端分别通过逆锥形波导与透镜光纤耦合。

在其中一个实施例中，所述的逆锥形波导的长度值为200um～500um，尖端宽度值为100nm～150nm，实现光纤波导的高效耦合。

在其中一个实施例中，所述的激光器输出的激光为窄线宽光源，为中远红外波段，中心波长为9.5um～11um。相比于传统905nm和1550nm的激光光源，其在雨雾等天气下激光透射率提高1倍以上。

在其中一个实施例中，所述的任意函数发生器产生的波形为三角波的线性调频信号。

在其中一个实施例中，三角波的线性调频信号的带宽为1GHz-5GHz，调制速率为100KHz-10MHz。