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激光雷達是一種新興崛起的感知硬件，憑借強大的三維感知能力被越來越多的行業(yè)所熟知。近兩年，隨著無人駕駛、遙感測繪、測距測風(fēng)等新技術(shù)的飛速發(fā)展，激光雷達作為一種環(huán)境感知傳感器，愈發(fā)受到行業(yè)重視，顯示出巨大的市場前景！

激光雷達一般是由激光器、激光發(fā)射機、激光接收機、計算機處理等模塊構(gòu)成。它是將脈沖激光作為信號源，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。激光光源是激光雷達核心裝置，相當(dāng)一部分激光雷達采用905nm半導(dǎo)體光源。這種光源的優(yōu)點是成本較低、相對成熟，最終產(chǎn)品的尺寸也相對較小，但抗干擾能力弱，探測距離短，對雨霧的穿透力不足，最重要的一點是905nm激光在人眼安全方面存在不小的風(fēng)險。相較于905nm半導(dǎo)體激光器，1550nm光纖激光器具有光束質(zhì)量好、峰值功率高、探測距離遠、人眼安全等優(yōu)點，已逐漸成為未來無人駕駛、車輛安全預(yù)警、測距、測風(fēng)等激光雷達領(lǐng)域重要技術(shù)方案之一。

武漢長進激光技術(shù)有限公司（簡稱長進激光）基于20年特種光纖深耕經(jīng)驗，為1550nm光纖激光雷達特別推出了單摻鉺光纖、鉺鐿共摻光纖以及鉺鐿共摻保偏光纖等系列光纖。尤其是激光雷達用的鉺鐿共摻保偏光纖，目前已被限制進口。長進激光作為國內(nèi)第一家推出鉺鐿共摻保偏光纖的企業(yè)，旨在突破國外封鎖，為我國激光雷達產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展保駕護航。據(jù)悉，上述光纖指標(biāo)達到進口同類產(chǎn)品水平，部分參數(shù)指標(biāo)超過進口產(chǎn)品。產(chǎn)品一經(jīng)推出，獲得了客戶的廣泛認(rèn)可。

激光雷達的應(yīng)用

激光測距

激光測距一般采用脈沖式激光器作為光源。1550nm脈沖激光具有激光發(fā)散角小、脈沖能量高、人眼安全等優(yōu)點，成為激光測距的理想光源。脈沖激光測距的基本原理是激光器發(fā)射激光脈沖，該激光脈沖在擊中障礙物后被反射回來并被接收系統(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(biāo)距離。激光測距多應(yīng)用于電力、建筑，地質(zhì)，消防，鐵路，農(nóng)業(yè)，林業(yè)，軍事等領(lǐng)域。

1550nm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。一般使用的增益介質(zhì)是鉺纖及鉺鐿共摻光纖，通過980nm泵浦與單模鉺纖進行第一級預(yù)防大，二級放大則采用940nm泵浦與雙包層鉺鐿共摻光纖完成，如圖1所示。

圖1、1550nm脈沖光纖激光器原理圖

車載激光雷達

近幾年來，自動駕駛的概念越來越被頻繁的提及，而自動輔助駕駛技術(shù)也在快速的發(fā)展，車載激光雷達被認(rèn)為是 L3 級及以上自動駕駛必備傳感器。其主要通過激光的飛行時間確定與障礙物的距離，同時通過激光光束測量障礙物物體輪廓與汽車之間的相對距離，再將這些信息繪制成周圍環(huán)境高精度3D地圖，從而保證了無人駕駛的安全性。

圖2、車載激光雷達應(yīng)用

目前激光雷達廠商主要使用波長為905nm和1550nm的激光發(fā)射器，波長為1550nm的光線不容易在人眼液體中傳輸，這意味著采用波長為1550nm激光的激光雷達的功率可以相當(dāng)高，而不會造成視網(wǎng)膜損傷。更高的功率，意味著更遠的探測距離，更長的波長，意味著更容易穿透粉塵霧霾。因此，1550nm激光雷達越來越成為車載激光雷達的重要技術(shù)方案。雖然有行業(yè)人士認(rèn)為 1550nm激光器成本居高不下，但通過自身研發(fā)能力與供應(yīng)鏈能力降低 1550nm激光雷達的整體成本，從而為客戶提供高性價比的激光雷達產(chǎn)品。

測風(fēng)激光雷達

隨著國家對環(huán)境的重視，風(fēng)力發(fā)電作為一種新能源逐漸成為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，風(fēng)力發(fā)電裝機量持續(xù)增長。據(jù)有關(guān)研究指出，到2030年左右，風(fēng)力發(fā)電總量占電力總量的比例會達到26％。但是風(fēng)能作為自然界一種不可控資源，如何充分利用好風(fēng)力資源則顯得尤為重要。由于山頂和沿海的風(fēng)力資源非常豐富，而風(fēng)力發(fā)電機的葉片非常大且沉重，重量達到20噸左右，因此風(fēng)力發(fā)電機的建設(shè)難度相當(dāng)巨大。而在極端氣候下，如果葉片不能根據(jù)風(fēng)向?qū)崟r調(diào)整方向，可能會對葉片和機組造成損壞，造成重大經(jīng)濟損失。通過安裝測風(fēng)激光雷達實時監(jiān)測風(fēng)向并及時調(diào)整葉片的方向，可以有效的保障風(fēng)力發(fā)電機的安全使用和提高發(fā)電效率。

相干多普勒測風(fēng)激光雷達作為一種新型的移動測風(fēng)雷達，具有測量精度高、時空分辨率高、探測范圍廣、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，成為測風(fēng)雷達的主流方案。多普勒測風(fēng)激光雷達是利用光的多普勒效應(yīng)，通過測量激光光束在大氣環(huán)境中傳輸其回波信號的多普勒頻移來進行演示風(fēng)速的分布。多普勒測風(fēng)激光雷達的探測方式分兩種，分別是相干探測與非相干探測方式。相干探測測量的是返回光信號與發(fā)射激光信號之間的差頻信號，非相干探測測量的是返回信號與發(fā)射激光信號的能量變化。相干探測不易受環(huán)境的影響，并且具有較高的靈敏度和器件容易集成等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于商業(yè)化的測風(fēng)激光雷達系統(tǒng)中。

1.5μm保偏光纖激光具有人眼安全及探測距離遠等優(yōu)勢，成為相干測風(fēng)雷達光源最成熟的方案。

圖3、1550nm測風(fēng)激光雷達原理圖

圖3為1550nm相干測風(fēng)激光雷達簡易原理圖。如圖所示種子激光器輸出的激光經(jīng)過保偏分束器將激光分為兩束。一束經(jīng)過AOM（聲光調(diào)制器）調(diào)制后，經(jīng)過摻鉺光纖放大器（EDFA）進行預(yù)放大，然后通過鉺鐿共摻光纖放大器（EYDFA）進行放大，提高脈沖激光的能量，再經(jīng)過激光環(huán)形器，通過望遠鏡聚焦到目標(biāo)位置。聚焦的激光束與大氣中的氣溶膠粒子發(fā)生散射作用（激光波長與氣溶膠粒子尺寸相差不大），其中后向散射的部分能量，經(jīng)過望遠鏡耦合到環(huán)形器。保偏分束器分出的另一束激光作為本振光與環(huán)形器接收的激光，經(jīng)過單模保偏耦合器進入平衡探測器進行混頻，混頻之后的信號經(jīng)過低通濾波、放大之后被模數(shù)采集卡采集、存儲，最終由計算機完成處理工作。整個系統(tǒng)中使用的光纖和光纖無源器件均為保偏光器件，因為保偏器件能夠最大程度上減小由于回波激光偏振態(tài)與本振光不匹配導(dǎo)致的噪聲，提高信號光和本振光的相干效率，并最終提高系統(tǒng)信噪比，從而實現(xiàn)精確測量。

鉺鐿共摻光纖的現(xiàn)狀

鉺纖及鉺鐿共摻光纖是1550nm激光雷達光源的核心增益材料，由于制造難度極大，其生產(chǎn)核心技術(shù)及其工藝一直都被國外光纖企業(yè)壟斷。長期以來，國內(nèi)的相關(guān)激光雷達企業(yè)都是通過高價購買國外的鉺鐿光纖來進行相關(guān)激光雷達的研發(fā)與生產(chǎn)，嚴(yán)重制約了我國激光雷達產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。特別是在目前的國際形勢下，國外不斷加強對國內(nèi)的技術(shù)封鎖，測風(fēng)激光雷達光源的核心增益材料（25/300保偏鉺鐿共摻光纖）已經(jīng)被限制進口，購買難度越來越大，未來可能面臨無法購買的局面。這就使我國的激光雷達行業(yè)的發(fā)展受限于國外，整個產(chǎn)業(yè)鏈都處于非常被動的局面。

長進激光通過二十多年的技術(shù)積累和創(chuàng)新研發(fā)，成功研制出鉺鐿共摻光纖、保偏摻鉺光纖以及保偏鉺鐿共摻光纖，其中鉺鐿共摻光纖（10/125）年出貨量達百公里，光纖的性能及一致性均達到進口光纖水準(zhǔn)，客戶滿意度高。特別是作為國外戰(zhàn)略限制出口的25/300系列大纖芯鉺鐿保偏光纖也已經(jīng)研制成功，在光纖規(guī)格和性能方面均達到國外知名光纖水準(zhǔn)，客戶評價極高。

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(yīng)用于1550nm脈沖光纖激光器中。如圖4為鉺鐿共摻光纖的光纖截面圖（左）與斜率效率（右）。

圖4、鉺鐿共摻光纖截面圖及其光光效率

長進激光10/128鉺鐿共摻保偏光纖截面圖及斜率效率如下圖所示：

圖5、10／128保偏鉺鐿共摻光纖截面圖及其光光效率

長進激光25/300保偏鉺鐿共摻光纖截面圖及斜率效率如下圖所示：

圖6、25／300鉺鐿共摻保偏光纖截面圖及其斜率效率

隨著激光雷達技術(shù)的發(fā)展，鉺鐿共摻光纖的用途會越來越廣泛，長進激光也必定會順應(yīng)市場需求，對鉺鐿共摻光纖進行持續(xù)投入，為國內(nèi)激光雷達等行業(yè)的發(fā)展提供有利的技術(shù)支撐。