高分辨率多激光源同步扫描调频连续波激光雷达系统研究

作者及发表信息
本研究的通讯作者为Tianjin University（天津大学）精密测试技术及仪器国家重点实验室的Fumin Zhang（张福民），合作作者包括Chaolin Li（李超林）和Xinghua Qu（曲兴华）。研究成果发表于2023年1月的*Journal of Lightwave Technology*（Vol. 41, No. 1），标题为《High-Resolution Frequency-Modulated Continuous-Wave Lidar Using Multiple Laser Sources Simultaneously Scanning》。

学术背景
研究领域为调频连续波激光雷达（FMCW Lidar）的高精度测距技术。传统FMCW系统面临探测深度与扫描带宽的矛盾：大调谐范围激光器体积大、线宽宽，易出现模式跳变；而窄线宽半导体激光器（如DFB）调谐带宽有限（仅数百GHz）。此前研究通过多激光源顺序扫描拼接（如Dilazaro团队基于DFB阵列的5.5 THz系统）或数字锁相环（如200 GHz无跳模扫描）扩展带宽，但存在实时性差、系统复杂等问题。本研究提出多源同步扫描拼接方案，旨在简化结构、提升分辨率与信噪比（SNR），并探索与硅光子学集成的潜力。

研究流程与方法

1. 系统设计与原理

   • 核心创新：利用多激光源以不同调制速率同步扫描，通过单探测器接收混合拍频信号，结合等光频间隔重采样（equal optical frequency interval resampling）消除非线性，再通过希尔伯特变换实现相位匹配拼接。
     
   • 理论模型：
     
     • 单光源测距分辨率公式为δd = c/(2ngB)，B为扫频带宽。M个光源拼接后分辨率提升至δds = c/(2ngMB)。
       
     • 通过辅助干涉仪（光程差＞2倍测量干涉仪）生成重采样间隔δf = (2τa)^-1，确保不同调制速率的信号在频域对齐。
       

2. 仿真实验

   • 参数设置：模拟10个可调谐激光器（每光源调谐范围5 nm，总带宽1520–1570 nm），调制速率非线性（第n个光源速率设为n×50 nm/s）。
     
   • 信号处理：
     
     • 傅里叶域带通滤波分离各光源信号，避免频谱混叠。
       
     • 相位匹配算法：提取信号首尾5周期数据，通过希尔伯特变换计算峰值/谷值相位差，选择最小相位差点拼接，避免主瓣损伤（图3）。
       
   • 结果：10光源拼接后分辨率提升10倍，SNR增加3.5 dBm，与理论50 nm直接调谐结果一致（图5b）。
     

3. 实物实验验证

   • 设备限制：采用2个Keysight 8164B激光器（带宽5 nm，速率50/100 nm/s）。
     
   • 关键步骤：
     
     • 测量目标距离2.6 m，辅助干涉仪光程差20 m。
       
     • 通过条纹计数干涉仪（Renishaw XL-80）标定真值。
       
   • 结果：
     
     • 双光源拼接分辨率达128 μm（理论极限），实测两目标点间距误差仅2 μm（图8）。
       
     • 10次测量平均误差＜10 μm，最大误差20 μm（图9），标准差稳定在21 μm内。
       

主要结果与逻辑关联
- 仿真验证：证实多源同步扫描可通过频域滤波与重采样实现高精度拼接，分辨率与光源数量成正比。
- 实验验证：在有限光源下仍接近理论分辨率，误差主要源于环境扰动（如湍流、振动），通过多次平均可进一步抑制。
- 系统扩展性：结合硅光子学集成（如DFB阵列、光学相控阵OPA），未来可实现芯片级高分辨率激光雷达。

结论与价值
1. 科学价值：
- 提出首个多激光源同步扫描FMCW方案，突破传统顺序扫描的实时性瓶颈。
- 等光频间隔重采样算法同时解决非线性校正与信号伸缩变换问题。
2. 应用潜力：
- 生物医学与航空航天：需μm级精度的长距离测量（如器官形变监测、卫星对接）。
- 智能驾驶：芯片化集成后可实现低成本、高分辨率车载激光雷达。

研究亮点
- 方法创新：单探测器接收多源混合信号，数据采集量降低90%（对比传统多探测器方案）。
- 算法优化：相位匹配算法避免频偏导致的频谱主瓣畸变（图3b）。
- 前瞻性设计：仿真中预留硅光子集成接口（图4），如OPA扫描模块与III-V族激光器异质集成。

其他重要内容
- 局限性：长距离测量时需光纤色散补偿（引用文献[21-23]）。
- 对比研究：较Vasilyev的300 GHz系统（需波分复用器）和Dilazaro的5.5 THz系统（依赖HCN气体校准），本方案显著简化硬件复杂度。

（注：全文术语首次出现均标注英文，如“信噪比（SNR）”“光学相控阵（OPA）”）