激光雷達(dá)是一種新興崛起的感知硬件，憑借強(qiáng)大的三維感知能力被越來(lái)越多的行業(yè)所熟知。近兩年，隨著無(wú)人駕駛、遙感測(cè)繪、測(cè)距測(cè)風(fēng)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，愈發(fā)受到行業(yè)重視，顯示出巨大的市場(chǎng)前景！

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)、計(jì)算機(jī)處理等模塊構(gòu)成。它是將脈沖激光作為信號(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(guò)計(jì)算機(jī)處理得到我們想要的信息。激光光源是激光雷達(dá)核心裝置，相當(dāng)一部分激光雷達(dá)采用905nm半導(dǎo)體光源。這種光源的優(yōu)點(diǎn)是成本較低、相對(duì)成熟，最終產(chǎn)品的尺寸也相對(duì)較小，但抗干擾能力弱，探測(cè)距離短，對(duì)雨霧的穿透力不足，最重要的一點(diǎn)是905nm激光在人眼安全方面存在不小的風(fēng)險(xiǎn)。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(cè)距離遠(yuǎn)、人眼安全等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為未來(lái)無(wú)人駕駛、車(chē)輛安全預(yù)警、測(cè)距、測(cè)風(fēng)等激光雷達(dá)領(lǐng)域重要技術(shù)方案之一。

武漢長(zhǎng)進(jìn)激光技術(shù)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)長(zhǎng)進(jìn)激光）基于20年特種光纖深耕經(jīng)驗(yàn)，為1550nm光纖激光雷達(dá)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(dá)用的鉺鐿共摻保偏光纖，目前已被限制進(jìn)口。長(zhǎng)進(jìn)激光作為國(guó)內(nèi)第一家推出鉺鐿共摻保偏光纖的企業(yè)，旨在突破國(guó)外封鎖，為我國(guó)激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展保駕護(hù)航。據(jù)悉，上述光纖指標(biāo)達(dá)到進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品水平，部分參數(shù)指標(biāo)超過(guò)進(jìn)口產(chǎn)品。產(chǎn)品一經(jīng)推出，獲得了客戶(hù)的廣泛認(rèn)可。

激光雷達(dá)的應(yīng)用

激光測(cè)距

激光測(cè)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(diǎn)，成為激光測(cè)距的理想光源。脈沖激光測(cè)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(lái)并被接收系統(tǒng)接收和處理，通過(guò)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。激光測(cè)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(diǎn)。一般使用的增益介質(zhì)是鉺纖及鉺鐿共摻光纖，通過(guò)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(chē)載激光雷達(dá)

近幾年來(lái)，自動(dòng)駕駛的概念越來(lái)越被頻繁的提及，而自動(dòng)輔助駕駛技術(shù)也在快速的發(fā)展，車(chē)載激光雷達(dá)被認(rèn)為是 L3 級(jí)及以上自動(dòng)駕駛必備傳感器。其主要通過(guò)激光的飛行時(shí)間確定與障礙物的距離，同時(shí)通過(guò)激光光束測(cè)量障礙物物體輪廓與汽車(chē)之間的相對(duì)距離，再將這些信息繪制成周?chē)h(huán)境高精度3D地圖，從而保證了無(wú)人駕駛的安全性。

圖2、車(chē)載激光雷達(dá)應(yīng)用

目前激光雷達(dá)廠商主要使用波長(zhǎng)為905nm和1550nm的激光發(fā)射器，波長(zhǎng)為1550nm的光線不容易在人眼液體中傳輸，這意味著采用波長(zhǎng)為1550nm激光的激光雷達(dá)的功率可以相當(dāng)高，而不會(huì)造成視網(wǎng)膜損傷。更高的功率，意味著更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，意味著更容易穿透粉塵霧霾。因此，1550nm激光雷達(dá)越來(lái)越成為車(chē)載激光雷達(dá)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(guò)自身研發(fā)能力與供應(yīng)鏈能力降低 1550nm激光雷達(dá)的整體成本，從而為客戶(hù)提供高性?xún)r(jià)比的激光雷達(dá)產(chǎn)品。

測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境的重視，風(fēng)力發(fā)電作為一種新能源逐漸成為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)量持續(xù)增長(zhǎng)。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(huì)達(dá)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(jī)的葉片非常大且沉重，重量達(dá)到20噸左右，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)調(diào)整方向，可能會(huì)對(duì)葉片和機(jī)組造成損壞，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)安裝測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)向并及時(shí)調(diào)整葉片的方向，可以有效的保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全使用和提高發(fā)電效率。

相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)作為一種新型的移動(dòng)測(cè)風(fēng)雷達(dá)，具有測(cè)量精度高、時(shí)空分辨率高、探測(cè)范圍廣、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，成為測(cè)風(fēng)雷達(dá)的主流方案。多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)是利用光的多普勒效應(yīng)，通過(guò)測(cè)量激光光束在大氣環(huán)境中傳輸其回波信號(hào)的多普勒頻移來(lái)進(jìn)行演示風(fēng)速的分布。多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的探測(cè)方式分兩種，分別是相干探測(cè)與非相干探測(cè)方式。相干探測(cè)測(cè)量的是返回光信號(hào)與發(fā)射激光信號(hào)之間的差頻信號(hào)，非相干探測(cè)測(cè)量的是返回信號(hào)與發(fā)射激光信號(hào)的能量變化。相干探測(cè)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(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于商業(yè)化的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)中。

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

圖3、1550nm測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)原理圖

圖3為1550nm相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)簡(jiǎn)易原理圖。如圖所示種子激光器輸出的激光經(jīng)過(guò)保偏分束器將激光分為兩束。一束經(jīng)過(guò)AOM（聲光調(diào)制器）調(diào)制后，經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器（EDFA）進(jìn)行預(yù)放大，然后通過(guò)鉺鐿共摻光纖放大器（EYDFA）進(jìn)行放大，提高脈沖激光的能量，再經(jīng)過(guò)激光環(huán)形器，通過(guò)望遠(yuǎn)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(zhǎng)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(guò)望遠(yuǎn)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(guò)單模保偏耦合器進(jìn)入平衡探測(cè)器進(jìn)行混頻，混頻之后的信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波、放大之后被模數(shù)采集卡采集、存儲(chǔ)，最終由計(jì)算機(jī)完成處理工作。整個(gè)系統(tǒng)中使用的光纖和光纖無(wú)源器件均為保偏光器件，因?yàn)楸Ｆ骷軌蜃畲蟪潭壬蠝p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(hào)光和本振光的相干效率，并最終提高系統(tǒng)信噪比，從而實(shí)現(xiàn)精確測(cè)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(dá)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(guó)外光纖企業(yè)壟斷。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)的相關(guān)激光雷達(dá)企業(yè)都是通過(guò)高價(jià)購(gòu)買(mǎi)國(guó)外的鉺鐿光纖來(lái)進(jìn)行相關(guān)激光雷達(dá)的研發(fā)與生產(chǎn)，嚴(yán)重制約了我國(guó)激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。特別是在目前的國(guó)際形勢(shì)下，國(guó)外不斷加強(qiáng)對(duì)國(guó)內(nèi)的技術(shù)封鎖，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)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(jìn)口，購(gòu)買(mǎi)難度越來(lái)越大，未來(lái)可能面臨無(wú)法購(gòu)買(mǎi)的局面。這就使我國(guó)的激光雷達(dá)行業(yè)的發(fā)展受限于國(guó)外，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都處于非常被動(dòng)的局面。

長(zhǎng)進(jìn)激光通過(guò)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(dá)百公里，光纖的性能及一致性均達(dá)到進(jìn)口光纖水準(zhǔn)，客戶(hù)滿(mǎn)意度高。特別是作為國(guó)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(dá)到國(guó)外知名光纖水準(zhǔn)，客戶(hù)評(píng)價(jià)極高。

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(zhǎng)進(jìn)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(zhǎng)進(jìn)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(dá)技術(shù)的發(fā)展，鉺鐿共摻光纖的用途會(huì)越來(lái)越廣泛，長(zhǎng)進(jìn)激光也必定會(huì)順應(yīng)市場(chǎng)需求，對(duì)鉺鐿共摻光纖進(jìn)行持續(xù)投入，為國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)等行業(yè)的發(fā)展提供有利的技術(shù)支撐。