徐忠揚(yáng)，張洪祥，陳凱，潘時龍

南京航空航天大學(xué)雷達(dá)成像與微波光子技術(shù)教育部重點實驗室

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。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。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，需要使用低時延抖動的短脈沖以及超快光電子器件等。同時，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。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頻率差獲得目標(biāo)距離信息。同時，連續(xù)波激光雷達(dá)一般采用相干接收，探測運(yùn)動目標(biāo)時，測量信號中會引入光學(xué)多普勒頻移，一方面會對測量結(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)行實時測速。

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，其瞬時頻率與時間成線性關(guān)系。當(dāng)回波延時存在時，反射光信號與本振光信號間將產(chǎn)生正比于回波延時的瞬時頻率差。在實際激光雷達(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，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，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，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。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)動物體時，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，光電流信號將表示為：

式中，f_d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單頻信號組成，其頻率分別為f_R+ f_d和f_R - f_d，計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，兩個單頻信號實際上分處于不同時段，無法實現(xiàn)真正意義的實時測量。利用雙邊帶調(diào)制同時產(chǎn)生正負(fù)雙啁啾信號，則可實現(xiàn)對距離和速度的實時測量。

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，調(diào)制過程中激光頻率也會改變，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，調(diào)制信號與激光瞬時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，美國海軍實驗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頻率與時間呈線性關(guān)系。然而，自由運(yùn)轉(zhuǎn)的掃頻激光器一般難以實現(xiàn)良好的線性掃頻。掃頻過程存在的非線性效應(yīng)將會嚴(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，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，差頻信號隨時間發(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)行實時校準(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，一般采用干涉儀實時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，則將激光器波長鎖定在光頻梳的不同梳齒上，實現(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)，光場瞬時頻率隨時間線性變化，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)用最廣泛的是時域拉伸，基本原理如圖5所示。

圖5 時域拉伸原理示意圖

時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輸出。引入通過色散元件后，不同頻率成分的光場延時不同，導(dǎo)致激光信號在時域上發(fā)生展寬，即時域拉伸。當(dāng)色散導(dǎo)致的延時與光場的頻率成線性關(guān)系時，所產(chǎn)生的啁啾脈沖光信號就是線性調(diào)頻信號。實際應(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)中同時實現(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，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帶寬，通過精確控制反饋系統(tǒng)，可以同時實現(xiàn)較大的脈沖帶寬和較低的瞬時帶寬，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。例如時域拉伸中，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，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)動物體進(jìn)行了實時測量。但是，該類激光雷達(dá)仍然存在線性度較差的問題。例如：時域拉伸方法中，色散器件難以實現(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，激光的瞬時頻率產(chǎn)生偏移，偏移量由調(diào)制信號的瞬時頻率決定。當(dāng)調(diào)制信號為線性調(diào)頻信號時，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)頻光信號可以同時具有較大的調(diào)制帶寬和較小的瞬時線寬，有助于同時實現(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，即可實現(xiàn)外差探測。同時，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，還可實現(xiàn)低至50kHz的瞬時線寬。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，從而在一個雷達(dá)系統(tǒng)中同時實現(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)，同時產(chǎn)生正負(fù)啁啾的光學(xué)信號，實現(xiàn)了對目標(biāo)的同時測速測距。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，難以實現(xiàn)高精度三維成像。同時，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，有助于實現(xiàn)高精度的三維成像。同時，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驗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)，實現(xiàn)更高精度的三維成像。同時，由于采用了相干探測方式，調(diào)頻連續(xù)波激光還可以實現(xiàn)對運(yùn)動目標(biāo)的多普勒成像。通過對運(yùn)動物體進(jìn)行多普勒成像，激光雷達(dá)可以區(qū)分出運(yùn)動物體與靜止物體，結(jié)果如圖(c)所示。該特點在自動駕駛領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價值。通過對運(yùn)動物體進(jìn)行速度測量，有助于自動駕駛系統(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。實驗結(jié)果驗證了調(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，美國海軍實驗室研究人員Bashkansky等采用波長為1550nm的單?？烧{(diào)諧激光器，首次實現(xiàn)了對運(yùn)動目標(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)成像實驗。實驗中利用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驗驗證階段，后續(xù)需進(jìn)行外場試驗，驗證實際性能。

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。然而該研究僅能實現(xiàn)點測量，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，引入延時線對光波波形進(jìn)行校準(zhǔn)，并利用光學(xué)相控陣實現(xiàn)光束掃描。利用該激光雷達(dá)，研究人員獲得了9.5m遠(yuǎn)處的墻體的實際形貌，如圖9(b)所示。值得一提的是，實驗中激光雷達(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。該實驗為片上集成全固態(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)仍然存在測量時間長，數(shù)據(jù)處理量較大等缺點，但是在遙感測繪、高精度三維成像、自動駕駛等領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出應(yīng)用價值。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帶寬和較高的信噪比。利用光學(xué)頻梳實現(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)計波形，可以在同一激光雷達(dá)系統(tǒng)中實現(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電子領(lǐng)域。