徐忠揚(yáng)，張洪祥，陳凱，潘時(shí)龍
南京航空航天大學(xué)雷達(dá)成像與微波光子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
摘要：調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)將調(diào)頻連續(xù)波測距與激光探測技術(shù)相結(jié)合，具有測距范圍大、距離分辨率高、可進(jìn)行多普勒測速、有利于片上集成等優(yōu)點(diǎn)。本文首先對調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的測量原理進(jìn)行分析。隨后，根據(jù)光源不同將調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)分為三類，分別對其技術(shù)特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。最后，對目前調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的前沿應(yīng)用進(jìn)行了簡單介紹。
關(guān)鍵詞：調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)；測距；激光探測
激光雷達(dá)作為雷達(dá)概念的一種延伸，利用激光進(jìn)行目標(biāo)探測，從反射光中獲取目標(biāo)距離、速度、方位等信息。相較于微波雷達(dá)，激光雷達(dá)采用波長更短的光學(xué)信號，具有定向性好、空間分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。自上世紀(jì)60年代以來，激光雷達(dá)得到了迅速發(fā)展，在遙感、大氣探測、自動(dòng)駕駛、三維成像等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。根據(jù)發(fā)射信號不同，激光雷達(dá)可以分為兩類：脈沖激光雷達(dá)和連續(xù)波激光雷達(dá)。脈沖激光雷達(dá)采用脈沖光信號作為探測信號，通過精確測量反射光脈沖飛行時(shí)間，獲取目標(biāo)距離信息。脈沖激光雷達(dá)分辨率相對降低，為了提高距離分辨率，需要使用低時(shí)延抖動(dòng)的短脈沖以及超快光電子器件等。同時(shí)，脈沖激光雷達(dá)一般采用直接探測獲取回波信號，無法進(jìn)行多普勒測速；較高的脈沖功率也對器件性能和人眼安全性提出了要求。
連續(xù)波激光雷達(dá)采用連續(xù)光信號作為探測信號，具有峰值功率低，分辨率高等特點(diǎn)。具體而言，連續(xù)波激光雷達(dá)又可分為相位式激光雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)。前者基于相位激光測距技術(shù)，采用單頻信號調(diào)制激光，通過對反射光信號進(jìn)行鑒相，最終獲得目標(biāo)距離信息。該方法的缺點(diǎn)是存在模糊距離，測距范圍受限于調(diào)制頻率。調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)則是將現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)中的調(diào)頻連續(xù)波測距與激光探測技術(shù)相結(jié)合。該技術(shù)采用線性調(diào)頻信號調(diào)制激光，并通過比較反射光信號和本振光信號的瞬時(shí)頻率差獲得目標(biāo)距離信息。同時(shí)，連續(xù)波激光雷達(dá)一般采用相干接收，探測運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，測量信號中會(huì)引入光學(xué)多普勒頻移，一方面會(huì)對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，另一方面也可利用多普勒效應(yīng)對目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)測速。
隨著激光技術(shù)、微波光子技術(shù)、光通信技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)受到越來越多的關(guān)注。相較于脈沖激光雷達(dá)，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)具有如下技術(shù)優(yōu)勢：①測距范圍大；②距離分辨率高；③可實(shí)現(xiàn)多普勒測速；④有利于片上集成。
得益于以上技術(shù)優(yōu)勢，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)已經(jīng)在高精度三維成像，遙感測繪和自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。當(dāng)前飛速發(fā)展的集成光子技術(shù)，也為調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)注入了新的活力，片上集成將成為調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的重要發(fā)展趨勢。
本文將首先對調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的探測原理進(jìn)行闡述。隨后，根據(jù)系統(tǒng)中采用的激光光源對調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)特點(diǎn)進(jìn)行分類闡述。最后，將對調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的前沿應(yīng)用進(jìn)行簡單介紹。
1 調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)測量原理
現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中通常采用線性調(diào)頻微波信號作為探測信號，通過比較回波信號與參考信號的瞬時(shí)頻率，獲得目標(biāo)距離信息。調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)便采用了與之相似的技術(shù)，利用線性調(diào)頻光信號作為探測信號。典型的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)中核心組件是能夠產(chǎn)生線性調(diào)頻光信號的激光光源。該光源可以是內(nèi)調(diào)制激光光源、啁啾脈沖激光光源、外調(diào)制激光光源等。線性調(diào)頻光信號經(jīng)由光學(xué)分束器進(jìn)行分束，其中一路作為本振光信號，另一路作為探測信號由光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)照射到目標(biāo)表面。待測目標(biāo)的反射光信號由光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)接收，通過光纖環(huán)形器和光纖耦合器后，與本振光信號合束，并通入光電探測器中進(jìn)行相干拍頻。最終，信號處理系統(tǒng)從光電探測器的光電流信號中提取目標(biāo)距離和速度等信息。
圖1 調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)系統(tǒng)圖
調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的測量原理如圖2所示。由于探測光信號為線性調(diào)頻信號，其瞬時(shí)頻率與時(shí)間成線性關(guān)系。當(dāng)回波延時(shí)存在時(shí)，反射光信號與本振光信號間將產(chǎn)生正比于回波延時(shí)的瞬時(shí)頻率差。在實(shí)際激光雷達(dá)系統(tǒng)中，該差頻信號由反射光信號與本振光信號相干拍頻獲得。相干拍頻時(shí)，光電探測器產(chǎn)生的光電流信號進(jìn)行低通濾波后，通過信號處理，即可獲得反射光信號的回波延時(shí)及目標(biāo)距離信息。
圖2 調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)測距原理
若探測光信號波形選取為鋸齒形線性調(diào)頻信號，其瞬時(shí)頻率可表示為：
式中，f0為光信號的初始頻率，B為光信號的調(diào)制帶寬，T為光信號的調(diào)制周期。此時(shí)，通過低通濾波后的光電流信號具有如下形式：
式中，A為光電流信號的幅度，t為回波延時(shí)，φ為恒定相位。由式（2）可知，光電流信號的頻率正比于回波延時(shí)。因此，若已知光電流信號頻率，即可利用如下關(guān)系獲取目標(biāo)距離信息：
式中，c為真空中光速。進(jìn)一步分析可知，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的距離分辨率則取決于光信號的帶寬，兩者之間具有如下關(guān)系：
因此，為了獲得更高的距離分辨率，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)需要具有更大的調(diào)制帶寬。
上述測量原理中，待測物為靜止目標(biāo)。當(dāng)待測目標(biāo)為運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，回波信號將產(chǎn)生多普勒頻移。多普勒頻移與差頻信號疊加，結(jié)果如圖3所示。此時(shí)，光電流信號將表示為：
式中，fd為光信號的多普勒頻移。激光雷達(dá)中，光信號的多普勒頻移較高，將嚴(yán)重影響調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的性能。因此，距離和速度的解耦是調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)中的是重要問題之一。
圖3 三角波形調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)測距測速原理
一種有效的解決方案是在調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)中同時(shí)產(chǎn)生正負(fù)雙啁啾的光學(xué)信號。具體可通過三角波形線性調(diào)頻信號和雙邊帶調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)。圖3以三角波形線性調(diào)頻信號為例進(jìn)行說明。在正啁啾階段，相干拍頻產(chǎn)生的光電流信號仍然具有式（5）所示形式，而在負(fù)啁啾階段，光電流信號的表達(dá)形式變?yōu)椋?/p>
因此，最終獲得的拍頻信號將由兩個(gè)單頻信號組成，其頻率分別為fR+ fd和fR - fd，計(jì)算二者和與差即可分別得到fR和fd，并由此獲取目標(biāo)距離和速度信息。當(dāng)然，在三角波形線性調(diào)頻信號下，兩個(gè)單頻信號實(shí)際上分處于不同時(shí)段，無法實(shí)現(xiàn)真正意義的實(shí)時(shí)測量。利用雙邊帶調(diào)制同時(shí)產(chǎn)生正負(fù)雙啁啾信號，則可實(shí)現(xiàn)對距離和速度的實(shí)時(shí)測量。
2 調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的分類
調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的核心組件是能夠產(chǎn)生線性調(diào)頻光信號的激光光源。目前已有報(bào)道的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)中，激光光源可分為三類：內(nèi)調(diào)制激光光源，啁啾脈沖激光光源以及外調(diào)制激光光源。本文將根據(jù)激光光源的不同對調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)進(jìn)行分類，并分別介紹其特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀。
2.1 基于內(nèi)調(diào)制激光光源的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)
調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)中，為了獲得線性調(diào)頻光信號，可采用能夠直接產(chǎn)生啁啾光信號的內(nèi)調(diào)制激光器。具體又可分為兩類：第一類是采用線性調(diào)頻信號調(diào)制激光光強(qiáng)。此時(shí)激光器輸出光強(qiáng)為線性調(diào)頻信號；第二類則通過調(diào)制信號改變激光頻率，光場本身為線性調(diào)頻信號，該類激光器又稱為掃頻激光器。其中，第一類激光器調(diào)制方式簡單，一般采用直接探測獲取回波信息，探測距離較短。同時(shí)，調(diào)制過程中激光頻率也會(huì)改變，影響測量結(jié)果。第二類激光器調(diào)制帶寬較大，但受限于激光調(diào)諧機(jī)理，掃頻速度較慢。同時(shí)，調(diào)制信號與激光瞬時(shí)頻率之間往往存在非線性關(guān)系，需要進(jìn)行頻率校準(zhǔn)。
強(qiáng)度調(diào)制激光器是最早提出并應(yīng)用于調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的激光光源。1996年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室的研究人員采用強(qiáng)度調(diào)制GaAIAs激光器結(jié)合直接探測，實(shí)現(xiàn)了激光測距，并在此基礎(chǔ)上演示了激光三維成像。隨后，研究人員采用相似的方法，實(shí)現(xiàn)了對大氣氣溶膠等隨機(jī)分布介質(zhì)的探測。相較于強(qiáng)度調(diào)制激光器，掃頻激光器具有更大的帶寬，可實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，因此在高精度測距中應(yīng)用更為廣泛。2009年，美國研究人員采用外腔半導(dǎo)體激光器作為調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)光源，激光器調(diào)諧范圍達(dá)到100nm。在1.5m的距離下，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了31um的距離分辨率和86nm的測距精度。2013年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的研究人員采用光頻梳校準(zhǔn)外腔激光器，構(gòu)建調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)了130um的距離分辨率。由于采用光頻梳進(jìn)行校準(zhǔn)，該方法克服了掃頻激光器掃描速度慢的劣勢，具有1kHz的更新速率。2018年，日本研究人員則采用低成本的VCSEL激光器作為調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)光源。實(shí)現(xiàn)了距離分辨率360um、精度2um的高精度測距。該系統(tǒng)中采用VCSEL激光器，大幅降低了調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的成本和復(fù)雜度。
由于掃頻激光器在分辨率上具有明顯優(yōu)勢，當(dāng)前的研究主要采用第二類方案。但是，掃頻激光器同時(shí)也面臨著嚴(yán)重的非線性問題。調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的測量原理要求光信號的瞬時(shí)頻率與時(shí)間呈線性關(guān)系。然而，自由運(yùn)轉(zhuǎn)的掃頻激光器一般難以實(shí)現(xiàn)良好的線性掃頻。掃頻過程存在的非線性效應(yīng)將會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，導(dǎo)致距離分辨率和測距精度下降，原理如圖4所示。當(dāng)調(diào)諧過程為理想線性調(diào)頻時(shí)，圖中回波信號與參考光信號嚴(yán)格平行，拍頻所得的差頻信號將保持不變。然而，當(dāng)掃頻過程存在非線性效應(yīng)時(shí)，差頻信號隨時(shí)間發(fā)生改變，最終導(dǎo)致差頻信號展寬，降低系統(tǒng)距離分辨率。為了消除調(diào)諧過程中的非線性效應(yīng)，一般需要對光信號頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。目前常用的校準(zhǔn)方式主要有干涉儀和光頻梳等。利用干涉儀進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，一般采用干涉儀實(shí)時(shí)測量光信號的頻率偏差，并在信號處理中將其去除。利用光頻梳校準(zhǔn)時(shí)，則將激光器波長鎖定在光頻梳的不同梳齒上，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)諧。兩種方式各有優(yōu)勢，前者結(jié)構(gòu)簡單，后者掃頻快速精準(zhǔn)。
圖4 非線性效應(yīng)對調(diào)頻連續(xù)波測距的影響
2.2 基于啁啾脈沖激光光源的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)
嚴(yán)格意義上，啁啾脈沖光源發(fā)射的并不是連續(xù)光，而是由脈沖序列組成的光信號。但是，啁啾脈沖激光可視為占空比較低的調(diào)頻連續(xù)波光信號，在脈沖內(nèi)，光場瞬時(shí)頻率隨時(shí)間線性變化，與調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的測量原理一致。因此，本文中將基于啁啾脈沖激光光源的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)作為調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)中的一類。啁啾脈沖激光可通過多種方法產(chǎn)生，包括時(shí)域拉伸、傅里葉域鎖模激光器，移頻反饋激光器等。其中應(yīng)用最廣泛的是時(shí)域拉伸，基本原理如圖5所示。
圖5 時(shí)域拉伸原理示意圖
時(shí)域拉伸需采用寬帶激光光源，如飛秒激光器等。寬帶激光光源的輸出信號中包含了不同頻率的光譜成分，在不存在啁啾的情況下，所有頻率成分的光同時(shí)輸出。引入通過色散元件后，不同頻率成分的光場延時(shí)不同，導(dǎo)致激光信號在時(shí)域上發(fā)生展寬，即時(shí)域拉伸。當(dāng)色散導(dǎo)致的延時(shí)與光場的頻率成線性關(guān)系時(shí)，所產(chǎn)生的啁啾脈沖光信號就是線性調(diào)頻信號。實(shí)際應(yīng)用中，常見的色散元件有光纖、全息光柵、啁啾光纖光柵等。2010年，美國中佛羅里達(dá)大學(xué)的研究人員采用鎖模激光器與啁啾光纖光柵級聯(lián)，產(chǎn)生啁啾激光脈沖。利用該方法構(gòu)建的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)距離分辨率可達(dá)亞毫米量級。2011年，他們在此基礎(chǔ)上引入兩個(gè)完全相反的啁啾光纖光柵，產(chǎn)生具有相反啁啾的脈沖光信號。利用該信號，研究人員在激光雷達(dá)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了測距和測速功能。2017年，上海交通大學(xué)的研究人員在飛秒激光與啁啾光纖光柵級聯(lián)的基礎(chǔ)上，采用另一束飛秒激光脈沖進(jìn)行光學(xué)采樣，驗(yàn)證了帶寬高達(dá)700 GHz的啁啾光學(xué)信號，空間分辨率達(dá)到120mm。
基于傅里葉域鎖模激光器構(gòu)建的測距系統(tǒng)具有更新速率高、距離分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于光學(xué)相干拓?fù)洌∣CT）成像領(lǐng)域，激光雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用尚未見報(bào)道。在移頻反饋激光器方面，日本東北大學(xué)的研究人員則開展了大量研究，實(shí)現(xiàn)了物體表面形貌掃描，距離精度可達(dá)130mm。傅里葉域鎖模激光器和移頻反饋激光器等方法所產(chǎn)生的啁啾激光具有較窄的瞬時(shí)帶寬，通過精確控制反饋系統(tǒng)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)較大的脈沖帶寬和較低的瞬時(shí)帶寬，有助于進(jìn)行高分辨率高精度的激光測距。傅里葉域鎖模激光器和移頻反饋激光器雖然可以提供較窄的瞬時(shí)帶寬．提高測量精度，但是引入的反饋控制系統(tǒng)相對復(fù)雜，需要精確控制系統(tǒng)參數(shù)，才可以穩(wěn)定運(yùn)行。
該類調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)具有帶寬較大，更新速率較高等優(yōu)點(diǎn)。例如時(shí)域拉伸中，飛秒激光的帶寬可達(dá)亞THz量級，大大提高了激光雷達(dá)的距離分辨率。同時(shí)，啁啾脈沖光源具有更高的重復(fù)頻率，大幅提高了激光雷達(dá)更新速率。利用移頻反饋激光器，德國的研究人員實(shí)現(xiàn)了測量精度um量級，更新速率MHz量級的激光測距雷達(dá)。而利用基于微諧振腔的光頻梳，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的研究人員則實(shí)現(xiàn)了高達(dá)100MHz的刷新速率。利用該激光雷達(dá)系統(tǒng)，他們成功的對高速運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行了實(shí)時(shí)測量。但是，該類激光雷達(dá)仍然存在線性度較差的問題。例如：時(shí)域拉伸方法中，色散器件難以實(shí)現(xiàn)較高的線性度。
2.3 基于外調(diào)制激光光源的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)
外調(diào)制激光光源一般由單頻激光器和光調(diào)制器級聯(lián)組成。激光信號光調(diào)制器完成調(diào)制過程，輸出線性調(diào)頻光學(xué)信號。常用的調(diào)制方式包括強(qiáng)度調(diào)制和頻率調(diào)制等。強(qiáng)度調(diào)制方式采用線性調(diào)頻信號對激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，并在接收端利用光電探測器將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電流，獲得目標(biāo)距離信息。頻率調(diào)制方式則采用電信號調(diào)制激光頻率。調(diào)制后，激光的瞬時(shí)頻率產(chǎn)生偏移，偏移量由調(diào)制信號的瞬時(shí)頻率決定。當(dāng)調(diào)制信號為線性調(diào)頻信號時(shí)，輸出光信號即為線性調(diào)頻信號。最后，在接收端利用相干探測獲得拍頻信號，提取目標(biāo)距離和速度等信息。
外調(diào)制方式將調(diào)制過程轉(zhuǎn)移到調(diào)制器中，降低了光源的復(fù)雜度。相較于內(nèi)調(diào)制激光器，調(diào)制器的非線性效應(yīng)極小，可以避免大帶寬導(dǎo)致的非線性誤差。采用窄線寬激光器作為光源，調(diào)制器輸出的線性調(diào)頻光信號可以同時(shí)具有較大的調(diào)制帶寬和較小的瞬時(shí)線寬，有助于同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率和高精度測量。2009年，美國堪薩斯大學(xué)的研究人員利用強(qiáng)度調(diào)制器產(chǎn)生線性調(diào)頻光信號，實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)。利用該激光雷達(dá)，研究人員對370m以外的建筑進(jìn)行了成像。該方案中采用線性調(diào)頻光學(xué)信號作為參考信號，與反射光信號進(jìn)行相干拍頻，降低了對光電探測器和射頻接收端的帶寬要求。2012年，該小組研究人員進(jìn)一步利用光學(xué)單邊帶調(diào)制構(gòu)建了一種調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)，結(jié)構(gòu)如圖6所示。該方案無需聲光移頻器，即可實(shí)現(xiàn)外差探測。同時(shí)，利用電光調(diào)制器進(jìn)一步增大了帶寬，提高距離分辨率。2018年，天津大學(xué)的研究人員利用外調(diào)制和循環(huán)移頻相相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了200GHz的調(diào)制帶寬，調(diào)頻速率高達(dá)3.6×1016 Hz/s。該方案不僅可以獲得較大調(diào)制帶寬，還可實(shí)現(xiàn)低至50kHz的瞬時(shí)線寬。近年來，隨著微波光子技術(shù)的不斷發(fā)展，利用微波光子倍頻技術(shù)還可以進(jìn)一步擴(kuò)大信號帶寬，提高調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的距離分辨率。
圖6 一種基于外調(diào)制的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)示意圖
相較于其他方案，基于外調(diào)制激光器的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)另一優(yōu)點(diǎn)是可以利用豐富調(diào)制方式，獲得復(fù)雜波形的光學(xué)信號。研究表明，利用復(fù)雜的波形有助于實(shí)現(xiàn)多功能激光雷達(dá)系統(tǒng)。因此，外調(diào)制激光器是構(gòu)建多功能調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的優(yōu)選方案之一。2012年，美國堪薩斯大學(xué)的研究人員利用光通信中的I/Q調(diào)制器，構(gòu)建了一種正負(fù)邊帶復(fù)用的激光雷達(dá)。該系統(tǒng)利用線性調(diào)頻負(fù)邊帶進(jìn)行測距，利用單頻正邊帶進(jìn)行測速，從而在一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)測距測速功能。2017年南京航空航天大學(xué)的研究人員利用雙邊帶調(diào)制技術(shù)，同時(shí)產(chǎn)生正負(fù)啁啾的光學(xué)信號，實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)的同時(shí)測速測距。201 9年，他們還采用偏振復(fù)用雙平行馬赫曾德爾調(diào)制器，構(gòu)建了一種多功能調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)，該雷達(dá)可以同時(shí)測量待測目標(biāo)的距離、速度和偏振特性。
此外，外調(diào)制技術(shù)采用線性調(diào)頻信號作為調(diào)制信號，其產(chǎn)生方式更為成熟。而且，采用微波信號作為調(diào)制信號，提高了激光雷達(dá)與微波雷達(dá)的技術(shù)兼容性，有利于構(gòu)建多傳感器融合的探測系統(tǒng)。
3 調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的前沿應(yīng)用
3.1 高精度三維成像
激光雷達(dá)是一種理想的非接觸三維成像手段，其利用激光束作為探測信號，具有較高的空間分辨率。常見的激光雷達(dá)中，脈沖激光雷達(dá)系統(tǒng)簡單，成像速度快，但是距離分辨率較低，難以實(shí)現(xiàn)高精度三維成像。同時(shí)，脈沖激光雷達(dá)采用直接探測方式，無法進(jìn)行多普勒測量、容易受背景噪聲影響。調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)則可以獲得比脈沖激光雷達(dá)更高的距離分辨率，有助于實(shí)現(xiàn)高精度的三維成像。同時(shí)，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)一般采用相干探測，可以對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行多普勒測量。因此，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)是一種更具應(yīng)用前景的高精度三維成像方法。
2017年美國陸軍地理空間實(shí)驗(yàn)室的研究人員對比了脈沖激光雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的三維成像效果，結(jié)果如圖7所示。其中圖(a)為脈沖激光雷達(dá)的成像結(jié)果，圖(b)為調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的成像結(jié)果。對比發(fā)現(xiàn)，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)可以觀察到更多的局部細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)更高精度的三維成像。同時(shí)，由于采用了相干探測方式，調(diào)頻連續(xù)波激光還可以實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒成像。通過對運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行多普勒成像，激光雷達(dá)可以區(qū)分出運(yùn)動(dòng)物體與靜止物體，結(jié)果如圖(c)所示。該特點(diǎn)在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。通過對運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行速度測量，有助于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)判，提高駕駛安全性。
得益于相干探測技術(shù)，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)還可以獲得更高的信噪比。尤其是在背景噪聲較大的環(huán)境下，相干探測技術(shù)可以大幅消除外界輻射噪聲的影響。2018年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的研究人員利用調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)，透過火焰對物體的受熱形變進(jìn)行了測量?；鹧嫠a(chǎn)生的輻射光峰值一般處于1560nm，會(huì)對激光雷達(dá)產(chǎn)生顯著的影響。然而，利用相干探測，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)在火焰存在情況下仍然可以正常工作。在距離2m的情況下，測量精度可達(dá)30um。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)可以對物體在火焰中的運(yùn)動(dòng)和形變進(jìn)行觀測。進(jìn)一步地，將調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)與壓縮感知等技術(shù)相結(jié)合，還可以降低激光器噪聲和線寬不確定性對成像結(jié)果的影響。
圖7 調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)高精度三維成像
3.2 合成孔徑激光雷達(dá)成像
合成孔徑雷達(dá)是利用與目標(biāo)相對運(yùn)動(dòng)的小孔徑天線獲得高分辨率的一種成像雷達(dá)。合成孔徑激光雷達(dá)采用激光作為探測信號，可以產(chǎn)生比微波信號更高的多普勒頻移。因此，利用合成孔徑原理，可以獲得更高方向分辨率。調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)可以同時(shí)獲得待測目標(biāo)的距離和速度信息，可以用來構(gòu)建合成孔徑激光雷達(dá)。
早在20世紀(jì)60年代，國外就已經(jīng)開展了合成孔徑激光雷達(dá)的初步探索。2002年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室研究人員Bashkansky等采用波長為1550nm的單?？烧{(diào)諧激光器，首次實(shí)現(xiàn)了對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的二維成像，分辨率優(yōu)于100um。2012年，美國蒙大拿州立大學(xué)Stephen等采用波長為1550nm的超寬帶線性調(diào)頻激光光源演示了聚束SAI成像。結(jié)果顯示該系統(tǒng)可以更好的顯示干蜻蜓翅膀的精細(xì)結(jié)構(gòu)。國內(nèi)在合成孔徑激光雷達(dá)領(lǐng)域的研究尚處于起步階段。2014年，中科院電子所研究人員利用1550nm的啁啾激光構(gòu)建合成孔徑激光雷達(dá)，成功地對2.4m以外的物體進(jìn)行了二維成像。2017年，上海交通大學(xué)的研究人員，利用外調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生線性調(diào)頻激光信號，并應(yīng)用于合成孔徑激光雷達(dá)。利用該雷達(dá)對1km以外的物體進(jìn)行成像，圖像分辨率可達(dá)4 cm。2018年，中科院電子所N.Wang在合成孔徑技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了逆合成孔徑激光雷達(dá)成像實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中利用I/Q調(diào)制器產(chǎn)生線性調(diào)頻光信號，對航模進(jìn)行高分辨率逆合成孔徑成像，結(jié)果如圖8所示。圖像徑向分辨率為2.5cm，角向分辨率為1.4cm。進(jìn)一步地，D.Mo通過數(shù)值計(jì)算分析了調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)對旋轉(zhuǎn)物體進(jìn)行逆合成孔徑成像性能指標(biāo)。目前，基于調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的合成孔徑成像研究仍處于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，后續(xù)需進(jìn)行外場試驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)際性能。
3.3 片上集成調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)
隨著自動(dòng)駕駛等技術(shù)的不斷發(fā)展，緊湊型激光雷達(dá)受到了越來越多的關(guān)注。利用集成光子技術(shù)構(gòu)建片上集成激光雷達(dá)是未來發(fā)展的重要趨勢。脈沖激光雷達(dá)的峰值功率較高，對集成器件的承載能力提出了較高的要求。所采用的直接探測技術(shù)，需要片上集成探測器具有較高的靈敏度。調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)則采用連續(xù)光作為探測信號，峰值功率較低。由于采用相干探測技術(shù)，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)系統(tǒng)對探測器性能的要求也相對較低。因此，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)被認(rèn)為是片上激光雷達(dá)的優(yōu)選方案之一。
2014年，加州大學(xué)伯克利的研究人員利用CMOS集成電子技術(shù)，研發(fā)出了一種調(diào)頻連續(xù)波激光芯片，解決了片上調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的光源問題。2016年，他們在此基礎(chǔ)上利用片上集成的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)對目標(biāo)進(jìn)行了探測，探測距離可達(dá)14m。在50mm距離處，分辨率可達(dá)8um。然而該研究僅能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)測量，無法對目標(biāo)進(jìn)行成像。為解決這一問題。2015年，美國加州理工大學(xué)的研究人員研發(fā)了一種集成光子相干成像器，其測距原理與調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)相同。系統(tǒng)中采用了相干像素陣列，最終實(shí)現(xiàn)了對距離50cm處靜止物體的成像。進(jìn)一步地，2017年麻省理工學(xué)院的研究人員將光學(xué)相控陣引入激光雷達(dá)系統(tǒng)。他們利用一組級聯(lián)的相移結(jié)構(gòu)，構(gòu)建光學(xué)相控陣，進(jìn)行光束控制，實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)的掃描成像。
2018年，法國Thales公司展示了一種集成度更高的片上調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)。該雷達(dá)中，波形校準(zhǔn)、光束掃描以及平衡探測均集成在一個(gè)芯片上，大小僅為9mm2，結(jié)構(gòu)如圖9(a)所示。系統(tǒng)中，引入延時(shí)線對光波波形進(jìn)行校準(zhǔn)，并利用光學(xué)相控陣實(shí)現(xiàn)光束掃描。利用該激光雷達(dá)，研究人員獲得了9.5m遠(yuǎn)處的墻體的實(shí)際形貌，如圖9(b)所示。值得一提的是，實(shí)驗(yàn)中激光雷達(dá)輸出功率僅
圖８ 基于調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的合成孔徑成像
圖９ 片上集成調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)及其測量結(jié)果
為5mW。該實(shí)驗(yàn)為片上集成全固態(tài)光學(xué)相控陣激光雷達(dá)奠定了基礎(chǔ)，有望大幅降低自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)成本。
4 總結(jié)
調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)具有廣闊的應(yīng)用前景。相較于傳統(tǒng)脈沖激光雷達(dá)，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)具有分辨率高、測量距離遠(yuǎn)、可實(shí)現(xiàn)多普勒測速、便于片上集成等優(yōu)勢。雖然調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)仍然存在測量時(shí)間長，數(shù)據(jù)處理量較大等缺點(diǎn)，但是在遙感測繪、高精度三維成像、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出應(yīng)用價(jià)值。針對目前的發(fā)展現(xiàn)狀，未來調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的發(fā)展方向?qū)⒂幸韵氯矫妫?/p>
（1）提高分辨率和準(zhǔn)確度。調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的分辨率由光學(xué)信號的帶寬決定，準(zhǔn)確度受到光信號的瞬時(shí)線寬和信噪比影響。因此，為了獲得較高的分辨率需要提高系統(tǒng)帶寬。提高準(zhǔn)確度則需要光信號具有較窄的瞬時(shí)帶寬和較高的信噪比。利用光學(xué)頻梳實(shí)現(xiàn)調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)將是一種有效的解決方案。
（2）實(shí)現(xiàn)多功能激光雷達(dá)。調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)可采用豐富多樣的信號波形，根據(jù)不同需求設(shè)計(jì)波形，可以在同一激光雷達(dá)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多種功能。當(dāng)前，微波光子技術(shù)與光通信技術(shù)領(lǐng)域中存在豐富的調(diào)制方式，可產(chǎn)生不同的信號波形。借鑒這些技術(shù)，有助于實(shí)現(xiàn)多功能激光雷達(dá)。
（3）片上集成激光雷達(dá)。片上集成是激光雷達(dá)發(fā)展的必然趨勢。調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)峰值功率較低，有利于進(jìn)行片上集成。利用異質(zhì)集成技術(shù)，將激光器、探測器、光學(xué)相控陣等關(guān)鍵系統(tǒng)集成于同一芯片上將大幅降低系統(tǒng)體積和成本，有望將高精度三維成像功能引入消費(fèi)電子領(lǐng)域。
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