基于FPGA的线性调频DFB激光器研究.pdf

摘要

调频连续波(FrequencyModulatedContinuousWave,FMCW)激光雷达是一种将传统雷达技

术与激光干涉探测技术相结合的新型激光雷达技术。FMCW激光雷达具有无靶标、盲区小、

探测精度高、抗干扰能力强等特性，在自动驾驶、工程测量、目标识别等领域中发挥着重要

的作用。但在实际应用中，FMCW激光雷达系统受激光光源的调制非线性和线宽的限制，导

致其测距精度降低。因此研究激光器频率调制非线性抑制问题具有十分重要的意义。本课题

研究了基于可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)的线性调频分布反馈

(DistributedFeedback,DFB)激光器，重点设计了线性调频DFB激光器的控制电路，利用verilog

语言与C语言相结合编写了线性调频DFB激光器非线性预失真补偿控制程序，并进行了实

验和应用研究。本文的主要研究内容和结果如下：

（1）研制了线性调频DFB激光器驱动电路。驱动电路包括温度控制模块和电流控制模

块，温度控制模块用于稳定激光器温度，避免在扫频时由于温度的变化而带来波

长漂移，温度的调节范围为5-50℃、分辨率为0.01；电流控制模块通过外部调制

信号调制DFB激光器的驱动电路，实现线性调频，调制增益为80mA/V，最大调

制频率为10MHz。该驱动板可与FPGA开发板完成线性调频DFB激光器预失真

校正。

（2）研究了基于FPGA的预失真校正算法，采用迭代预失真控制技术对激光器频率调

制非线性进行校正。预失真校正算法采用verilog语言与C语言结合的方式设计，

编写verilog代码来自定义多个IP核，以此充当模块设计的外围电路，同时编写C

代码完成各个模块的调度，利用多种算法进行迭代处理。

（3）研制了DFB激光器调频非线性校正实验系统，并进行了实验和应用研究。实验结

果表明在扫描频率为5kHz下，调制带宽为19.91GHz，非线性度由未校正前0.324%

降低到了0.059%，调频非线性得到明显抑制。基于非线性校正的光源设计了激光

雷达测距系统，在30m的测距范围内，最大测量误差为0.868m。

关键词:线性调频，预失真补偿，DFB半导体激光器，调频连续波，激光雷达

Abstract

FrequencyModulatedContinuousWave(FMCW)LiDARisanewtypeofLiDARtechnology

thatcombinestraditionalradartechnologywithlaserinterferometrydetectiontechnology.FMCW

lidarhasthecharacteristicsofnotarget,smallblindspot,highdetectionaccuracy,andstronganti-

interferenceability,playinganimportantroleinfieldssuchasautonomousdriving,engineering

measurement,andtargetrecognition.However,inpracticalapplications,theFMCWlidarsystemis

limitedbythemodulationnonlinearityandlinewidthofthelaserlightsource,resultinginadecrease

initsrangingaccuracy.Therefore,studyingthenonlinearsuppressionproblemoflaserfrequency

modulationis