近年來，隨著無人駕駛、遙感測(cè)繪等新技術(shù)的飛速發(fā)展，激光雷達(dá)作為一種環(huán)境感知傳感器，越來越受到重視，顯示出巨大的市場(chǎng)前景！激光雷達(dá)結(jié)合了激光與傳統(tǒng)雷達(dá)具有的特性，具有距離分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已在無人駕駛、車輛安全預(yù)警、測(cè)距、測(cè)風(fēng)等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

激光雷達(dá)一般是由激光器、激光發(fā)射機(jī)、激光接收機(jī)、光電探測(cè)器、計(jì)算機(jī)處理等模塊構(gòu)成。它是將激光作為信號(hào)源，并與激光接收機(jī)接收的信號(hào)做比較，用相位、頻率、偏振以及振幅等參數(shù)通過計(jì)算機(jī)處理得到我們想要的信息。

圖1   激光雷達(dá)簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)及流程圖

應(yīng)用領(lǐng)域：

激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)

為了倡導(dǎo)綠色低碳發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電在近幾年呈現(xiàn)飛速發(fā)展，通過激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)能獲取精確可靠的風(fēng)場(chǎng)信息，從而及時(shí)旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇，有利于提高風(fēng)電的利用率。同時(shí)也可以提高飛行器件和高空裝置在空中的安全性。因此激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)對(duì)風(fēng)力發(fā)電，航空飛行、氣象預(yù)測(cè)、軍事等領(lǐng)域都具有非常重要的意義。

測(cè)風(fēng)雷達(dá)的原理就是通過激光器產(chǎn)生的信號(hào)光通過光學(xué)天線發(fā)射到待測(cè)空氣中，脈沖激光與大氣中的氣溶膠顆粒相互作用產(chǎn)生攜帶其速度信息的后向散射信號(hào)。由多普勒原理可知，回波信號(hào)的多普勒頻移與氣溶膠顆粒運(yùn)動(dòng)速度（即風(fēng)速）成正比，因此，光學(xué)天線接收到的后向散射信號(hào)通過和系統(tǒng)內(nèi)光纖激光器產(chǎn)生的本振光拍頻進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，即可進(jìn)行算法處理進(jìn)而得到待測(cè)目標(biāo)的風(fēng)場(chǎng)信息。

激光測(cè)距雷達(dá)

激光測(cè)距方法可分為兩種類型：脈沖激光測(cè)距（圖2所示）和相位激光測(cè)距（圖3所示）。脈沖激光測(cè)距的基本原理是激光器發(fā)射激光束，該激光束在擊中障礙物后被反射回來并被激光接收系統(tǒng)接收和處理，通過激光器發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)的時(shí)間差，就可以計(jì)算出目標(biāo)距離。相位激光測(cè)距的基本原理是通過傳感器接收信號(hào)的相位與發(fā)射信號(hào)的相位差來計(jì)算與目標(biāo)的距離。

圖2  脈沖式激光測(cè)距

脈沖激光測(cè)距通過公式1來進(jìn)行計(jì)算：

L= cΔt/2      公式1

其中：式中L為測(cè)量距離，c為光在空氣中傳播的速度， Δt為光波信號(hào)在測(cè)距儀與目標(biāo)往返的時(shí)間。

圖3 相位式激光測(cè)距

相位激光測(cè)距通過公式2來進(jìn)行計(jì)算

2L=Ф·c·T/2π   公式2

其中：L為測(cè)量距離，c為光在空氣中傳播的速度，T為調(diào)制信號(hào)的周期時(shí)間， ?為發(fā)射與接收波形的相位差。

脈沖式激光由于激光發(fā)散角小、脈沖間隔較小、瞬間功率較高，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的測(cè)量。相位式激光測(cè)距適用于中距離的測(cè)量，同時(shí)需要對(duì)調(diào)整信號(hào)的頻率進(jìn)行合理選擇，如果選擇不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)測(cè)距不準(zhǔn)的情況，選擇信號(hào)頻率越高，得到的分辨率就越高，測(cè)量精度就越高，測(cè)量距離就越小。

車載激光雷達(dá)

無人駕駛技術(shù)是多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的集成，包括車載激光雷達(dá)、高精度地圖、路徑規(guī)劃、車輛能耗管理、GPS定位等等，其中最核心的部件為激光雷達(dá)，也是目前制約無人駕駛汽車普及的一個(gè)重要因素。

車載激光雷達(dá)的基本工作原理就是激光光源向目標(biāo)物體發(fā)射激光，通過激光返回的時(shí)間差確定與目標(biāo)物體的間距，同時(shí)根據(jù)距離以及激光發(fā)射角度，判斷出目標(biāo)物體的大致位置

對(duì)于高速行駛的無人駕駛汽車來說，為了實(shí)時(shí)并準(zhǔn)確的獲取車輛定位信息，需要通過車載激光雷達(dá)探測(cè)周圍的環(huán)境信息去精確定位車輛位置，這些信息可以組成所謂的點(diǎn)云并繪制出周圍環(huán)境高精度3D地圖，從而保證無人駕駛的安全性能。

激光雷達(dá)光源

激光光源是激光雷達(dá)信號(hào)發(fā)生裝置，直接決定了激光雷達(dá)的性能。傳統(tǒng)的激光雷達(dá)的激光一般采用905nm半導(dǎo)體激光作為光源，具有激光器件相對(duì)成熟、成本低等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)太陽光中存在較多近紅外背景光，傳感器信噪比物理上受限，最大探測(cè)距離限制在150米左右；發(fā)散角大，成像不清晰等缺點(diǎn)。

相較而言，1550nm波長(zhǎng)處在人眼安全范圍內(nèi)，其人眼安全的上線遠(yuǎn)大于905nm（約2個(gè)數(shù)量級(jí)）。另外，1550nm遠(yuǎn)離太陽紅外背景光，抗干擾能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)；同時(shí)采用相干技術(shù)，探測(cè)器只對(duì)自身發(fā)射的激光回波響應(yīng)，信噪比遠(yuǎn)高于905nm-ToF激光雷達(dá)，最大探測(cè)距離可以達(dá)到1000米以上，特殊場(chǎng)景下可以達(dá)到數(shù)公里。由于采用光纖激光器方案，因此具有較好的光束質(zhì)量及較小的發(fā)散角，具有更清晰的成像。因此1550nm的光纖激光作為激光雷達(dá)光源已經(jīng)成為高端激光雷達(dá)發(fā)展的一種趨勢(shì)。

1550nm光纖激光器使用的增益介質(zhì)是鉺纖及鉺鐿共摻光纖，光纖激光器具有體積小、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。1550nm光纖激光器使用摻鉺光纖對(duì)激光進(jìn)行放大，但是鉺離子容易出現(xiàn)團(tuán)簇現(xiàn)象且高摻雜容易引起濃度淬滅，難以實(shí)現(xiàn)高功率輸出。因此高功率的1550光纖激光器一般通過980nm泵浦與單模鉺纖進(jìn)行第一級(jí)預(yù)防大，二級(jí)放大則采用915nm泵浦與雙包層鉺鐿共摻光纖完成，見圖4所示。

圖4 1550nm光纖激光器功率放大簡(jiǎn)易流程圖

1.5μm激光雷達(dá)具有很多優(yōu)勢(shì)，但由于很多核心器件受限于國(guó)外，成本一直無法降低。并且使我國(guó)很多相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展都受限于國(guó)外，不利于自身核心技術(shù)的發(fā)展和風(fēng)險(xiǎn)的降低。

1.5μm光纖激光器的輸出功率很大程度上是由增益光纖的性能來決定的，武漢長(zhǎng)進(jìn)激光技術(shù)有限公司（簡(jiǎn)稱長(zhǎng)進(jìn)激光）經(jīng)過多年的技術(shù)積累和創(chuàng)新研發(fā)，在1.5μm激光雷達(dá)光源用增益光纖上率先實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。長(zhǎng)進(jìn)激光自主研發(fā)的6/125摻鉺光纖以及10/125雙包層鉺鐿共摻光纖已成功應(yīng)用在紅外測(cè)距公司的1550nm脈沖光纖激光器中，在一級(jí)放大和二級(jí)放大系統(tǒng)中的性能上，均達(dá)到或超過國(guó)外知名廠商水平。圖5為鉺鐿共摻光纖的光纖截面圖（左）與斜率效率（右），具有高的光光轉(zhuǎn)化效率，較高的吸收系數(shù)保證了輸出功率。

圖5  鉺鐿共摻光纖截面圖與斜率效率

目前光纖激光雷達(dá)朝著小型化、低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高精度、高適用范圍的方向發(fā)展，特別是隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，光纖激光技術(shù)將變的更加完善。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，1.5μm光纖激光雷達(dá)一定會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用，長(zhǎng)進(jìn)激光也必然會(huì)持續(xù)發(fā)展1.5um激光雷達(dá)用增益光纖，為更多激光領(lǐng)域的企業(yè)提供更加優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。