近年來，隨著無人駕駛、遙感測繪等新技術的飛速發(fā)展，激光雷達作為一種環(huán)境感知傳感器，越來越受到重視，顯示出巨大的市場前景！激光雷達結(jié)合了激光與傳統(tǒng)雷達具有的特性，具有距離分辨率高、抗干擾能力強、體積小等優(yōu)勢，現(xiàn)已在無人駕駛、車輛安全預警、測距、測風等領域中廣泛應用。

激光雷達一般是由激光器、激光發(fā)射機、激光接收機、光電探測器、計算機處理等模塊構成。它是將激光作為信號源，并與激光接收機接收的信號做比較，用相位、頻率、偏振以及振幅等參數(shù)通過計算機處理得到我們想要的信息。

圖1   激光雷達簡易結(jié)構及流程圖

應用領域：

激光測風雷達

為了倡導綠色低碳發(fā)展，風力發(fā)電在近幾年呈現(xiàn)飛速發(fā)展，通過激光測風雷達能獲取精確可靠的風場信息，從而及時旋轉(zhuǎn)風扇，有利于提高風電的利用率。同時也可以提高飛行器件和高空裝置在空中的安全性。因此激光測風雷達對風力發(fā)電，航空飛行、氣象預測、軍事等領域都具有非常重要的意義。

測風雷達的原理就是通過激光器產(chǎn)生的信號光通過光學天線發(fā)射到待測空氣中，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。由多普勒原理可知，回波信號的多普勒頻移與氣溶膠顆粒運動速度（即風速）成正比，因此，光學天線接收到的后向散射信號通過和系統(tǒng)內(nèi)光纖激光器產(chǎn)生的本振光拍頻進行數(shù)字解調(diào)，即可進行算法處理進而得到待測目標的風場信息。

激光測距雷達

激光測距方法可分為兩種類型：脈沖激光測距（圖2所示）和相位激光測距（圖3所示）。脈沖激光測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)射信號和反射信號的時間差，就可以計算出目標距離。相位激光測距的基本原理是通過傳感器接收信號的相位與發(fā)射信號的相位差來計算與目標的距離。

圖2  脈沖式激光測距

脈沖激光測距通過公式1來進行計算：

L= cΔt/2      公式1

其中：式中L為測量距離，c為光在空氣中傳播的速度， Δt為光波信號在測距儀與目標往返的時間。

圖3 相位式激光測距

相位激光測距通過公式2來進行計算

2L=Ф·c·T/2π   公式2

其中：L為測量距離，c為光在空氣中傳播的速度，T為調(diào)制信號的周期時間， ?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，可以進行遠距離的測量。相位式激光測距適用于中距離的測量，同時需要對調(diào)整信號的頻率進行合理選擇，如果選擇不當，會出現(xiàn)測距不準的情況，選擇信號頻率越高，得到的分辨率就越高，測量精度就越高，測量距離就越小。

車載激光雷達

無人駕駛技術是多個技術領域的集成，包括車載激光雷達、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，也是目前制約無人駕駛汽車普及的一個重要因素。

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

對于高速行駛的無人駕駛汽車來說，為了實時并準確的獲取車輛定位信息，需要通過車載激光雷達探測周圍的環(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。

激光雷達光源

激光光源是激光雷達信號發(fā)生裝置，直接決定了激光雷達的性能。傳統(tǒng)的激光雷達的激光一般采用905nm半導體激光作為光源，具有激光器件相對成熟、成本低等優(yōu)點；同時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，最大探測距離限制在150米左右；發(fā)散角大，成像不清晰等缺點。

相較而言，1550nm波長處在人眼安全范圍內(nèi)，其人眼安全的上線遠大于905nm（約2個數(shù)量級）。另外，1550nm遠離太陽紅外背景光，抗干擾能力強，可以實現(xiàn)遠距離探測；同時采用相干技術，探測器只對自身發(fā)射的激光回波響應，信噪比遠高于905nm-ToF激光雷達，最大探測距離可以達到1000米以上，特殊場景下可以達到數(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光源已經(jīng)成為高端激光雷達發(fā)展的一種趨勢。

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。1550nm光纖激光器使用摻鉺光纖對激光進行放大，但是鉺離子容易出現(xiàn)團簇現(xiàn)象且高摻雜容易引起濃度淬滅，難以實現(xiàn)高功率輸出。因此高功率的1550光纖激光器一般通過980nm泵浦與單模鉺纖進行第一級預防大，二級放大則采用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易流程圖

1.5μm激光雷達具有很多優(yōu)勢，但由于很多核心器件受限于國外，成本一直無法降低。并且使我國很多相關領域的發(fā)展都受限于國外，不利于自身核心技術的發(fā)展和風險的降低。

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，武漢長進激光技術有限公司（簡稱長進激光）經(jīng)過多年的技術積累和創(chuàng)新研發(fā)，在1.5μm激光雷達光源用增益光纖上率先實現(xiàn)國產(chǎn)化。長進激光自主研發(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用在紅外測距公司的1550nm脈沖光纖激光器中，在一級放大和二級放大系統(tǒng)中的性能上，均達到或超過國外知名廠商水平。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

目前光纖激光雷達朝著小型化、低成本、結(jié)構簡單、高精度、高適用范圍的方向發(fā)展，特別是隨著數(shù)字處理技術的發(fā)展，光纖激光技術將變的更加完善。隨著科學技術的發(fā)展，1.5μm光纖激光雷達一定會得到越來越廣泛的應用，長進激光也必然會持續(xù)發(fā)展1.5um激光雷達用增益光纖，為更多激光領域的企業(yè)提供更加優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。