飞秒光纤激光频率分辨相干激光雷达

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飞秒光纤激光频率分辨相干激光雷达我们展示了一种相干激光雷达，该激光雷达使用宽带飞秒光纤激光器作为光源，并通过阵列波导光栅将返回的外差信号分解为N个光谱通道。对数据进行非相干处理，以使表面振动的多普勒测量提高N倍。对于N=6，我们在10ms内实现了153Hz的灵敏度，对应于0.12mm/s的运动，尽管信号被散斑加宽到14kHz。或者，对数据进行相干处理以形成范围图像。对于平坦目标，我们实现了60米的距离分辨率，主要受源带宽的限制，尽管信号路径中有1公里的光纤色散。近年来，锁模飞秒激光器已被证明能产生高度相干的输出。这些光源发射宽光谱的光，该光谱包括由激光重复率分隔的频率空间中的一组窄的单独的光学线，即频率梳。频率梳具有革命性的光学频率计量学。1将其用于相干光检测和测距（Clidar）进行距离或多普勒测量是很自然的，因为宽频谱支持高距离分辨率，而每个梳齿的窄线宽支持高多普勒分辨率。1.5米处基于光纤激光器的频率梳与高功率掺铒光纤放大器（EDFA）兼容。此外，自由运行的光纤激光梳的线宽为4kHz，足以覆盖数十公里的范围，锁相系统可能会显示出更窄的线宽。事实上，频率梳已经在测距激光雷达中应用了几年，并被提议用于测量空间中的绝对距离。在脉冲相干激光雷达中，激光脉冲被放大并从遥远的粗糙表面漫反射。将接收到的反射与本地振荡器（LO）混合，以生成外差信号，LO通常是原始发射脉冲的延迟和RF移位的副本。通过记录作为LO延迟函数的外差信号的幅度，生成表面的距离图像。通过测量外差信号的频移，产生表面的速度，即振动特征。使用飞秒光纤激光器作为相干激光雷达的光源带来了一些挑战。首先，与任何相干激光雷达一样，返回信号会受到散斑的影响，这将信噪比（SNR）限制为1，而与发射功率无关。它还将频谱拓宽到散斑带宽，该带宽与散斑波瓣穿过接收孔径的时间成反比，从而使小多普勒频移的测量变得更加困难。其次，宽源带宽允许精细的距离分辨率，但前提是LO延迟可在非常精细的增量上进行调整。对于我们的25nm源带宽，LO须在信号的300fs内到达，而与源和表面之间的相对运动无关。第三，信号和LO路径中的不平衡色散会显著降低距离分辨率，尤其是对于宽带宽源。（这里不考虑高功率啁啾脉冲放大的最后一个问题。）为了有效地解决这些问题，我们提出了一种频率分辨相干激光雷达（FReCL），其中通过使用阵列波导光栅（AWG）将外差信号频谱分解为N个信道。可以非相干地处理数据以产生振动轮廓，或者相干地处理该数据以产生距离图像。在任何一种情况下，该系统的性能都是传统Clidar单通道的N倍，并消除了对延迟线的严格要求。我们的系统与以前的基于梳状的激光雷达，并共享光谱多样的Clidars和傅立叶域光学相干断层扫描（FdOCT）的特征。与频谱多样的Clidars一样，通过在N个频谱通道上进行平均来改善多普勒（振动测量）返回；如果目标的射程深度足够大，这些通道是不相关的，从而将测量的方差减少N倍。先前的光谱多样性Clidars使用多模连续波激光器的两个窄间隔模式或两个不同的连续波激光器；单飞秒激光器代表了一种方便、紧凑的光源，可以提供大量的相干模式。尽管返回信号散斑加宽到14kHz FWHM，但我们在N=6个通道的10ms平均时间内实现了±153Hz（0.12mm/s）的多普勒灵敏度。更高的信道数将进一步提高多普勒灵敏度。与FdOCT一样，在对信号路径色散进行任何必要的相位补偿之后，作为N个检测通道的傅立叶变换生成距离图像，并且不需要精确可调的延迟线。在这里，尽管来自1公里光纤（对应于10公里空气路径）的额外色散，我们在相位补偿后仍实现了60 m FWHM的范围分辨率，比未补偿图像的分辨率提高了20倍，并且仅比25 nm源带宽施加的48 m FWHM分辨率大25%。我们的测距模糊度为250米；然而，更高的信道数量将支持更大范围的模糊性。图1.系统布局。实线是纤维路径，虚线是空气路径。可变延迟线精确地调整了两臂之间的相对延迟，并允许扫描传统激光雷达的范围。声光调制器；掺铒光纤放大器；SMF，800米单模光纤。插入，放大源的输出光谱（虚线曲线）和滤波的FReCL通道的单个光谱（实线曲线）。图2.（在线彩色）平衡信号和LO臂在10ms平均时间内旋转一整圈（0.12 s）的转盘的相对范围图像。传统通道的范围图像如所示（a） 是通过累积17转磁盘上的响应而获得的。（在一次磁盘旋转中，仅获得一条水平数据。）（b）或者，在一次硬盘旋转中，FReCL数据产生整个范围的图像。可以在其他延迟处获得相同的FReCL图像。TA是总采集时间。图1显示了我们演示激光雷达的基本设置。自由运行的飞秒光纤激光器具有50MHz的重复频率和4kHz的单个梳线宽，这是相对于分离率窄线宽CW光纤激光器测量的。输出被前置放大，在时间上拉伸，并在单模光纤中光谱加宽到ℷBW=25nm，然后放大到0.5W。拉伸是信号和LO的共模，因此不会降低距离分辨率。光束被准直到3毫米直径，并从以约10赫兹旋转的粗糙目标反射，产生动态散斑，根据目标倾斜，将返回信号加宽到2至15千赫FWHM之间的线宽。10将检测到的信号与LO臂的脉冲组合，LO臂的长度设置为与信号臂相等，以50兆赫的激光重复率为模。（或者，第二个锁相光纤梳可以作为锁相LO来消除这种限制。）组合信号被分离，一个分支被发送到用作传统脉冲多普勒通道的光电探测器。第二分支通过AWG到N＝6个分立的检测器以提供FReCL通道。每个通道的带宽为AWG=0.65nm，间隔为sp=4.8nm，以稀疏地覆盖输出光谱（见图1）。对于加性噪声，信号的这种N倍划分将降低总体SNR；然而，对于乘性散斑噪声，每个通道的SNR保持一致。AOM被偏移以产生30kHz的外差信号。未优化信号路径中的总损耗为69dB，AOM、空气路径和AWG的损耗分别为2、60和7dB。为了展示测距能力，旋转圆盘被设置为垂直于发射波束，从而提供较小的瞬时测距深度；然而，由于摆动（通过机械测量证实），其范围在一周内变化了~100μm。图2（a）显示了来自常规通道的真实范围图像。它是通过在间隔0.1 ps(15μm)的17个单独延迟上叠加作为旋转角函数的返回强度而构建的，并表现出44μm FWHM的分辨率，与27 nm的源带宽相当。图2（b）显示了由在单个延迟线位置所需的N=6通道FReCL数据的Fouier变换生成的距离图像。正如预期的那样，距离分辨率为ℷ2/2(ℷBW)=48μm，与六个通道跨越的25 nm带宽相当。明确的范围窗口（相当于奈奎斯特范围）由信道间隔设置为ℷ2/(2ℷsp)~250μm。在图2中，傅立叶变换之前的零填充给出了更精细的范围仓。在这两张图像中都可以看到轻微的回声，可能是由于主脉冲周围的卫星椭圆脉冲，对于图2（b），是由于所使用的方形变迹。可以通过展开来跟踪大于奈奎斯特范围的范围变化（即，更大的目标摆动），直到范围变化超过ℷ2/(2ℷAWG)~1.8mm，在这一点上可以调整延迟线。对于具有较大瞬时范围深度的目标，可以通过增加N或减少ℷBW来减少通道间距ℷsp来增加奈奎斯特范围。或者，可以通过选择ℷsp≤0.7ℷAWG来进行过采样，以将混叠效应抑制10倍或更多。通过将以粗步进延迟拍摄的FReCL范围图像拼接在一起，可以获得完整的范围图像。不均匀稀疏采样也是一种选择。图3显示了使用1公里光纤增加信号路径的类似数据集。传统信道的分辨率被信号路径中的额外分散破坏[图第3（a）段]。然而，在软件中调整FReCL信号的相位以补偿0.15 ps2和0.0048 ps3的二阶和三阶色散14，可获得60 m的分辨率[图3（b）]，与48 m的带宽限制分辨率相比仅降低了25%。在空气中，这对应于10 km范围内的相位校正。图3.（在线彩色）与图1相同磁盘的距离图像，在信号路径中有1公里的光纤，用于（a）每个0.5ps的27个延迟步长的传统数据和用于（b）相位补偿后固定LO延迟的FReCL数据。请注意（a）与（b）中的~10×个较大量程刻度。接下来我们考虑目标的速度或振动轮廓。这是通过将矩形时间窗口应用于具有门时间tgate的数据来生成的，傅立叶变换这些数据以产生功率谱，并最终通过使用Lee算法（例如，短时傅立叶变换技术）来估计多普勒频移。对于正常定向的目标，FReCL通道是完全相关的，产生与传统通道相同的方差。为了解相关信道，我们通过将目标倾斜15°（保持1 km的光纤延迟），将测距深度增加到~800μm。12，13此外，还减少了抖动，以消除系统目标运动。图4（a）还显示了传统信道的功率谱。它是高斯形状的，具有14 kHz 016的散斑加宽FWHM。散斑将每个解析的频率仓限制为SNR=1，这是指数（或瑞利）统计的结果。图4（a）还显示了FReCL数据的归一化、求和功率谱，SNR=1/N/仓。图4.（a）示例功率谱：tgate=10ms时的常规（虚线）和FReCL数据（实线）。（c） 振动测量示例。FReCL通道测量值的平均值（填充正方形）与施加的振动（实线）在从较小的平均纵向目标速度增加约100 Hz的偏移后非常一致。对于单个测量（一个目标旋转），对于tgate＝3ms，求和的FReCL数据的标准偏差为280Hz（浅灰色区域），并且对于单个常规通道的标准偏差是700Hz（深灰色区域）。为了证明改进的多普勒频移测量，我们进行了多次测量，并比较了传统和FReCL通道的方差。120通过以0.05°为增量将目标倾角从14.5°改变到15.5°，以0.3 ps为增量改变六个位置的延迟，产生了独立的散斑实现。图4（b）显示了比较情况。对于这两种情况，对于不同散斑波瓣的非相干相加，方差如预期的那样增加1/tgate。对于tgate=10ms，传统信道的统计方差为（384 Hz），FReCL信道的统计变异为（153 Hz），小2倍或N=6倍。（这些值约为Cramer-Rao下界的3倍）宽带信噪比约为15-20dB；模拟表明，六倍优势应保持在约0dB以下。最后，为了演示振动测量，我们在信号路径中插入光纤拉伸器，并施加正弦电压以模拟峰值速度为0.34 mm/s（440 Hz多普勒频移）的50 Hz目标振动。图4（c）比较了测得的和施加的50 Hz振动；只有FReCL测量才能有效地解决振动。在这里，我们已经证明，宽带相干源和频率分辨检测的使用可以使距离图像或多普勒振动测量的性能比传统激光雷达系统提高N倍，这取决于系统配置和瞬时目标距离深度，前提是SNR被散斑限制在1。信道宽度、信道间距和总频谱宽度的选择将取决于应用；我们在这里展示了一种可能的配置，它与基于实验室的测量兼容。