一种基于光纤环路二次调制的激光线性调频信号发射系统的制作方法

1.本发明涉及一种基于光纤环路二次调制的激光线性调频信号发射系统，属于激光成像雷达、激光通信等相关技术领域。


背景技术：

2.合成孔径成像激光雷达(sal)是激光技术和合成孔径技术的结合体。与传统的激光成像相比，合成孔径成像激光雷达的分辨率在距离向上有很好的一致性，分辨率不会由于作用距离的增大而变差；与传统的合成孔径雷达相比，由于sal的工作的波长更短，其可以得到比合成孔径雷达分辨率高得多的图像(分辨率可达毫米量级，甚至微米量级)。sal系统是能够在远距离获取厘米量级分辨率的唯一光学成像观测手段。
3.sal的成像原理与微波合成孔径雷达相同，能够对目标成“距离-多普勒”二维图像。sal发射一定重频的激光脉冲信号，利用雷达与目标的相对运动使视场内各个点目标回波脉冲的相位规律变化，通过运动补偿与匹配滤波等数据处理，即可在运动方向(多普勒向)上获得远大于光学系统物理口径的合成孔径，从而使方位分辨率得到极大的提高。sal通过对每个激光脉冲进行宽带调制并利用脉冲压缩技术，能够在距离向上对目标进行分辨，其中激光调制带宽越大则雷达的距离分辨率越高。因此研究宽带激光调制技术对提高现有sal的距离向分辨率具有重要意义。
4.激光宽带调制信号产生方法包括内调制和外调制两种。其中内调制指通过调谐腔长等方法使激光器直接输出宽带信号，这种方法主要存在调制周期较长的问题，无法满足sal常需工作在高重频模式的应用需求。外调制指用电学方法产生调制信号并将其作用于激光光源信号实现激光的宽带调制。外调制主要可分为声光调制，电光调制等。其中声光调制利用声光衍射的原理对激光进行调制，存在调制带宽小的问题；电光调制通过控制电压改变晶体的折射率，从而利用干涉原理实现激光的宽带调制，其激光调制信号带宽与电学控制信号的带宽相同。为了获得更大带宽的激光调制信号，需要产生相应带宽的射频信号作为电光调制器输入。目前，在激光宽带调制领域限制激光调制带宽进一步提高的瓶颈主要是射频器件的工作带宽有限。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于光纤环路二次调制的激光线性调频信号发射系统，用于为远距离合成孔径激光成像雷达提供高带宽调频激光信号，可以有效提高距离向分辨率，具有结构简单可靠的优势。
6.本发明的技术解决方案是：一种基于光纤环路二次调制的激光线性调频信号发射系统，包括激光器、iq光调制器、第一尾纤耦合镜、第一透镜、偏振分束棱镜、第一半波片、第二透镜、第二尾纤耦合镜、激光放大器、第二半波片、第三透镜、第三尾纤耦合镜，光纤跳线；
7.所述激光器发射连续线偏振激光信号，其偏振方向垂直于纸面，该激光信号经由光纤跳线输出，并经由光纤法兰输入到iq光调制器中，经过对iq光调制器外部射频信号与
半波电压的控制，输出的线偏振激光信号经由第一尾纤耦合镜输出到自由空间中，然后经由第一透镜二次准直后照射到偏振分束棱镜中，经过偏振分束棱镜完全反射作用后，依次透射过第一半波片与第二透镜，经由第二尾纤耦合镜的耦合作用后，经由光纤跳线传输进入到激光放大器进行信号强度放大，经由光纤跳线二次输入到iq光调制器中进行激光中心频率的调制，调制完成后再次经由第一透镜二次准直后照射到偏振分束棱镜中，在偏振分束棱镜完全透射，透射后依次经由第二半波片、第三透镜、第三尾纤耦合镜作用后，耦合进入光纤，并输出了高带宽线性调频激光信号。
8.进一步地，所述iq光调制器包括两个平行的马赫曾德调制器，所述马赫曾德调制器包括正交射频输入端、三个工作点输入端口、光纤激光输入端口与光纤激光输出端口。
9.进一步地，在对输入激光进行中心频率调谐时，正交射频输入端的输入信号功率最大不超过28dbm，可调制的中心频率带宽不超过25ghz。
10.进一步地，第一工作点与第二工作点的工作电压最大不超过7v，第三工作点的工作电压不超过12v；所述第一工作点、第二工作点、第三工作点分别指所施加到马赫曾德调制器干涉臂上的工作半波电压值，该电压可以使马赫曾德调制器的两个干涉臂之间产生响应的相位差，当相位差为π/2时，对应的电压值称为半波电压。
11.进一步地，所述iq光调制器的激光波长范围为1530nm～1580nm。
12.进一步地，所述激光线性调频信号发射系统包括上边带调制与下边带调制；激光信号输入端口的信号强度为po，激光信号输出端口的信号强度为p
out
；第一工作点、第二工作点、第三工作点；上边带调制对应的激光信号输出端口的功率谱为下边带调制对应的激光信号输出端口的功率谱为ω0为激光信号输入端口的激光中心频率，j1(β)为一阶贝塞尔函数，ω为调制频率带宽。
13.进一步地，所述偏振分束棱镜允许振动方向垂直于纸面的线偏振激光反射，允许振动方向平行于纸面的线偏振激光透射。
14.进一步地，所述第一半波片与第二半波片对于入射线偏振激光的偏振方向起到振动方向旋转调制的作用，当入射偏振激光的振动方向与半波片的快轴方向夹角为45
°
时，则出射的线偏振激光的振动方向旋转90
°
。
15.进一步地，所述第一尾纤耦合镜、第三尾纤耦合镜、第二尾纤耦合镜，其光纤端面均位于耦合镜的焦点位置。
16.进一步地，所述光纤环路均为单模保偏光纤，其数值孔径在0.12～0.14，模场直径10.5
±
1.0μm，截止波长范围为1290～1520nm。
17.本发明与现有技术相比的优点在于：
18.(1)本发明提出了一种基于双平行马赫曾德调制器的线性扫频信号激光频率综合调制方案，可以满足超远距离高分辨率激光合成孔径雷达的成像需求；
19.(2)利用正交线偏振的两路激光信号能够在激光调制器、光纤、大气空间、透镜等介质中独立传输且相互之间不发生干涉的原理，同时能够通过波片与偏振分光镜等光学器
件进行环形光路设计，实现激光种子信号在激光调制器中的两次循环调制，从而获得调制带宽加倍的激光输出；
20.(3)现有激光频率综合调制方法主要通过多马赫曾德调制器并联实现，能够输出调制信号的某高次谐波同时通过特定的工作点偏置消除基波与其它谐波。与之相比，本课题提出的方法具有系统规模小、可靠性高的特点。同时降低了调制器工作点控制的复杂度，避免了采用多调制器频率综合方案中器件一致性无法控制的问题
附图说明
21.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
22.图1为光纤环路二次调制的激光线性调频信号发射系统示意图；
23.图2为iq光调制器示意图；
24.图3、4、5分别为本技术实施例一、二、三示意图。
具体实施方式
25.为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本技术技术方案做详细的说明，应当理解本技术实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
26.以下结合说明书附图对本技术实施例所提供的一种基于光纤环路二次调制的激光线性调频信号发射系统做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～2所示)：激光器1、iq光调制器2、第一尾纤耦合镜3、第一透镜4、偏振分束棱镜5(pbs)、第一半波片6、第二透镜7、第二尾纤耦合镜8、激光放大器9、第二半波片10、第三透镜11、第三尾纤耦合镜12，光纤跳线13和光纤跳线14。本系统可以实现激光合成孔径成像雷达高带宽线性调频激光信号的产生，该技术可利用现有的光调制器器件，可将激光合成孔径激光雷达系统距离向分辨率提升一倍。
27.由激光器1系统发射出的1550nm连续线偏振激光信号，其偏振方向垂直于纸面，该激光信号经由光纤跳线输出，并经由光纤法兰输入到iq光调制器2中，经过对光调制器2外部射频信号与半波电压的控制，输出的线偏振激光信号经由第一尾纤耦合镜3输出到自由空间中，然后经由第一透镜4二次准直后照射到偏振分束棱镜5(pbs)中，由于入射激光的偏振方向是垂直于纸面的，因此，在偏振分束棱镜5(pbs)完全反射，进入到第一半波片6后，偏振方向由垂直于纸面变化为平行于纸面，这束激光经由第二透镜7的缩束后，经由第二尾纤耦合镜8的耦合作用后，经由光纤跳线13的传输后，进入到激光放大器13放大后，经由光纤跳线14二次输入到iq光调制器2中进行激光中心频率的调制，调制完成后再次经由第一透镜4二次准直后照射到偏振分束棱镜5(pbs)中，由于入射激光的偏振方向是平行于纸面的，因此，在偏振分束棱镜5(pbs)完全透射，透射后经由第二半波片10、第三透镜11、第三尾纤耦合镜12作用后，耦合进入光纤，并输出了高带宽线性调频激光信号。
28.进一步，iq光调制器由两个平行的马赫曾德调制器组成，它主要包含正交射频信
号输入端2-2与2-5、三个工作点输入2-3、2-4与2-6、光纤激光信号输入端口2-1与光纤激光信号输出端口2-7。
29.在一种可能实现的方式中，在对输入激光进行中心频率调谐时，正交射频信号输入端2-2与2-5的输入信号功率最大不超过28dbm，中心频率不超过25ghz。工作点2-3与工作点2-4的电压最大不超过7v，工作点2-6的电压不超过12v。
30.可选的，在一种可能实现的方式中，iq光调制器的激光波长范围为1530nm～1580nm。
31.在一种可能实现的方式中，所述激光线性调频信号发射系统，属于单边带调制模式，包括上边带调制与下边带调制；激光信号输入端口的信号强度为po，激光信号输出端口的信号强度为p
out
；第一工作点、第二工作点、第三工作点；上边带调制对应的激光信号输出端口的功率谱为下边带调制对应的激光信号输出端口的功率谱为ω0为激光信号输入端口的激光中心频率，j1(β)为一阶贝塞尔函数，ω为调制频率带宽。
32.可选的，所述偏振分束棱镜允许振动方向垂直于纸面的线偏振激光反射，允许振动方向平行于纸面的线偏振激光透射。
33.进一步，所述第一半波片与第二半波片对于入射线偏振激光的偏振方向起到一个振动方向旋转调制的作用，当入射偏振激光的振动方向与半波片的快轴方向夹角为45
°
时，则出射的线偏振激光的振动方向旋转90
°
。所述第一工作点、第二工作点、第三工作点分别指所施加到马赫曾德调制器干涉臂上的工作半波电压值，该电压可以使马赫曾德调制器的两个干涉臂之间产生响应的相位差,当相位差为π/2时，对应的电压值称为半波电压。所述第一尾纤耦合镜、第三尾纤耦合镜、第二尾纤耦合镜，其光纤端面均位于耦合镜的焦点位置，这样可以保证80％的传输效率。
34.可选的，在一种可能实现的方式中，所述光纤环路均为单模保偏光纤，其数值孔径在0.12～0.14，模场直径10.5
±
1.0μm，截止波长范围为1290～1520nm。
35.在本技术实施例所提供的方案中，包括：
36.实施方式一：本实施方式如图3所示，由激光器1系统发射出的1550nm连续线偏振激光信号，其偏振方向垂直于纸面，该激光信号经由光纤跳线输出，并经由光纤法兰输入到iq光调制器2中，经过对光调制器2外部射频信号与半波电压的控制，输出的线偏振激光信号经由第一尾纤耦合镜3输出到自由空间中，然后经由第一透镜4二次准直后照射到偏振分束棱镜5(pbs)中，由于入射激光的偏振方向是垂直于纸面的，因此，在偏振分束棱镜5(pbs)完全反射，进入到第一半波片6后，偏振方向由垂直于纸面变化为平行于纸面，这束激光经由第二透镜7的缩束后，经由第二尾纤耦合镜8的耦合作用后，经由光纤跳线13的传输后，进入到激光放大器13放大后，经由光纤跳线14二次输入到iq光调制器2中进行激光中心频率的调制，调制完成后再次经由第一透镜4二次准直后照射到偏振分束棱镜5(pbs)中，由于入射激光的偏振方向是平行于纸面的，因此，在偏振分束棱镜5(pbs)完全透射，透射后经由第二半波片10、第三透镜11、第三尾纤耦合镜12作用后，耦合进入光纤，并输出了高带宽线性
调频激光信号。
37.实施方式二：本实施方式如图4所示，由激光器1系统发射出的1550nm连续线偏振激光信号，其偏振方向垂直于纸面，该激光信号经由光纤跳线输出，并经由光纤法兰输入到iq光调制器2中，经过对光调制器2外部射频信号与半波电压的控制，输出的线偏振激光信号经由第一尾纤耦合镜3输出到自由空间中，然后经由第一透镜4二次准直后照射到偏振分束棱镜5(pbs)中，由于入射激光的偏振方向是垂直于纸面的，因此，在偏振分束棱镜5(pbs)完全反射，进入到第一半波片6后，偏振方向由垂直于纸面变化为平行于纸面，这束激光经由第二透镜7的缩束后，经由第二尾纤耦合镜8的耦合作用后，经由光纤跳线13的传输后，进入到激光放大器13放大后，经由光纤跳线14二次输入到iq光调制器2中进行激光中心频率的调制，调制完成后再次经由第一透镜4二次准直后照射到偏振分束棱镜5(pbs)中，由于入射激光的偏振方向是平行于纸面的，因此，在偏振分束棱镜5(pbs)完全透射，透射后经由第三透镜10、第二半波片11、第三尾纤耦合镜12作用后，耦合进入光纤，并输出了高带宽线性调频激光信号。
38.实施方式三：本实施方式如图5所示，本实施方式如图5所示，由激光器1系统发射出的1550nm连续线偏振激光信号，其偏振方向垂直于纸面，该激光信号经由光纤跳线输出，并经由光纤法兰输入到iq光调制器2中，经过对光调制器2外部射频信号与半波电压的控制，输出的线偏振激光信号经由第一尾纤耦合镜3输出到自由空间中，然后经由第一透镜4二次准直后照射到偏振分束棱镜5(pbs)中，由于入射激光的偏振方向是垂直于纸面的，因此，在偏振分束棱镜5(pbs)完全反射，透射过第二透镜6，然后进入到第一半波片7后，偏振方向由垂直于纸面变化为平行于纸面，这束激光经由的缩束后，经由第二尾纤耦合镜8的耦合作用后，经由光纤跳线13的传输后，进入到激光放大器13放大后，经由光纤跳线14二次输入到iq光调制器2中进行激光中心频率的调制，调制完成后再次经由第一透镜4二次准直后照射到偏振分束棱镜5(pbs)中，由于入射激光的偏振方向是平行于纸面的，因此，在偏振分束棱镜5(pbs)完全透射，透射后经由第三透镜10、第二半波片11、第三尾纤耦合镜12作用后，耦合进入光纤，并输出了高带宽线性调频激光信号。
39.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
40.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。
41.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种基于光纤环路二次调制的激光线性调频信号发射系统，其特征在于，包括激光器、iq光调制器、第一尾纤耦合镜、第一透镜、偏振分束棱镜、第一半波片、第二透镜、第二尾纤耦合镜、激光放大器、第二半波片、第三透镜、第三尾纤耦合镜，光纤跳线；所述激光器发射连续线偏振激光信号，其偏振方向垂直于纸面，该激光信号经由光纤跳线输出，并经由光纤法兰输入到iq光调制器中，经过对iq光调制器外部射频信号与半波电压的控制，输出的线偏振激光信号经由第一尾纤耦合镜输出到自由空间中，然后经由第一透镜二次准直后照射到偏振分束棱镜中，经过偏振分束棱镜完全反射作用后，依次透射过第一半波片与第二透镜，经由第二尾纤耦合镜的耦合作用后，经由光纤跳线传输进入到激光放大器进行信号强度放大，经由光纤跳线二次输入到iq光调制器中进行激光中心频率的调制，调制完成后再次经由第一透镜二次准直后照射到偏振分束棱镜中，在偏振分束棱镜完全透射，透射后依次经由第二半波片、第三透镜、第三尾纤耦合镜作用后，耦合进入光纤，并输出了高带宽线性调频激光信号。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤环路二次调制的激光线性调频信号发射系统，其特征在于，所述iq光调制器包括两个平行的马赫曾德调制器，所述马赫曾德调制器包括正交射频输入端、三个工作点输入端口、光纤激光输入端口与光纤激光输出端口。3.根据权利要求2所述的一种基于光纤环路二次调制的激光线性调频信号发射系统，其特征在于，在对输入激光进行中心频率调谐时，正交射频输入端的输入信号功率最大不超过28dbm，可调制的中心频率带宽不超过25ghz。4.根据权利要求3所述的一种基于光纤环路二次调制的激光线性调频信号发射系统，其特征在于，第一工作点与第二工作点的工作电压最大不超过7v，第三工作点的工作电压不超过12v；所述第一工作点、第二工作点、第三工作点分别指所施加到马赫曾德调制器干涉臂上的工作半波电压值，该电压可以使马赫曾德调制器的两个干涉臂之间产生响应的相位差，当相位差为π/2时，对应的电压值称为半波电压。5.根据权利要求4所述的一种基于光纤环路二次调制的激光线性调频信号发射系统，其特征在于，所述iq光调制器的激光波长范围为1530nm～1580nm。6.根据权利要求4所述的一种基于光纤环路二次调制的激光线性调频信号发射系统，其特征在于，所述激光线性调频信号发射系统包括上边带调制与下边带调制；激光信号输入端口的信号强度为p
o
，激光信号输出端口的信号强度为p
out
；第一工作点、第二工作点、第三工作点；上边带调制对应的激光信号输出端口的功率谱为下边带调制对应的激光信号输出端口的功率谱为ω0为激光信号输入端口的激光中心频率，j1(β)为一阶贝塞尔函数，ω为调制频率带宽。7.根据权利要求1所述的一种基于光纤环路二次调制的激光线性调频信号发射系统，其特征在于，所述偏振分束棱镜允许振动方向垂直于纸面的线偏振激光反射，允许振动方向平行于纸面的线偏振激光透射。8.根据权利要求1所述的一种基于光纤环路二次调制的激光线性调频信号发射系统，其特征在于，所述第一半波片与第二半波片对于入射线偏振激光的偏振方向起到振动方向
旋转调制的作用，当入射偏振激光的振动方向与半波片的快轴方向夹角为45
°
时，则出射的线偏振激光的振动方向旋转90
°
。9.根据权利要求1所述的一种基于光纤环路二次调制的激光线性调频信号发射系统，其特征在于，所述第一尾纤耦合镜、第三尾纤耦合镜、第二尾纤耦合镜，其光纤端面均位于耦合镜的焦点位置。10.根据权利要求1所述的一种基于光纤环路二次调制的激光线性调频信号发射系统，其特征在于，所述光纤环路均为单模保偏光纤，其数值孔径在0.12～0.14，模场直径10.5
±
1.0μm，截止波长范围为1290～1520nm。

技术总结
一种基于光纤环路二次调制的激光线性调频信号发射系统，属于激光成像雷达、激光通信等相关技术领域。本发明提出了一种基于双平行马赫曾德调制器的线性扫频信号激光频率综合调制方案，可以满足超远距离高分辨率激光合成孔径雷达的成像需求；同时利用正交线偏振的两路激光信号能够在激光调制器、光纤、大气空间、透镜等介质中独立传输且相互之间不发生干涉的原理，同时能够通过波片与偏振分光镜等光学器件进行环形光路设计，实现激光种子信号在激光调制器中的两次循环调制，从而获得调制带宽加倍的激光输出。加倍的激光输出。加倍的激光输出。


技术研发人员：高龙 郑伟 陶宇亮 安超 孙海青 欧宗耀 边尚林
受保护的技术使用者：北京空间机电研究所
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/9/22