频率调制连续波激光雷达技术基础与研究进展

1 激光雷达简介

激光雷达(Laser detection and ranging，LiDAR)是一种使用激光进行成像、侦查和测距的主动遥感技术，具有分辨力高、精度高、设备轻巧、抗干扰能力强等优势。继1960年激光发明之后，雷达(radio detection and ranging，Radar)的工作波段和技术很快就被研究者们从微波波段迁移到了光波波段。相比于传统的微波雷达技术，激光雷达工作在波长更短的光频波段，这使得激光雷达出射波束可以实现更小的发散角与更好的方向性，而更短的工作波长也使雷达探测时可实现的距离分辨力与角分辨力大大提高。激光雷达探测时可获得目标距离、速度、反射率等丰富信息，获取的三维点云数据通常被用于生成高分辨力三维地图或者三维模型，被广泛应用于测绘学、地形学、林业学、大气物理、激光制导、航空航天、深空探测和无人驾驶等领域^[1-6]。

激光雷达可以使用紫外线、可见光、红外光或太赫兹等不同波长作为工作波段；可以探测多种材质，包括金属，非金属、岩土、云层、气溶胶等。工作波段的选用需要考虑被探测物的散射能力和传播介质的透过窗口等(环境背景噪声、人眼安全)因素^[7]。由于大气层内激光传输受到大气衰减、扰动与不良天气状况的影响较大，所以激光雷达与传统的微波雷达以及摄像装置互为重要补充；在宇宙与深空探测领域，由于没有大气的干扰，激光雷达便具有微波雷达难以比拟的优势。在实现高精度、高分辨力探测需求上，激光雷达具有非常重要的地位。

目前激光雷达的检测机制主要分为两种：非相干检测与相干检测。非相干检测也被称为直接检测，通过直接测量反射光信号强度的变化实现探测，由于探测方式较为简单直接，广泛应用于飞行时间(time of flight, TOF)激光雷达或调幅连续波激光雷达。相干检测使用外差检测的方法，通过测量回波信号与本振信号的频率或相位差实现探测。目前主流的相干检测雷达包括频率调制连续波(frequency modulation continuous wave，FMCW)激光雷达与多普勒测速激光雷达。外差检测方式相比于直接检测方式具有更高的灵敏度，这令相干检测型激光雷达可以工作在更低的发射功率下^[8]。

鉴于激光雷达，特别是相干检测FMCW型激光雷达的种种优势，本文针对FMCW激光雷达的基本工作原理与国内外研发的最新进展进行了详细介绍。第2部分讲述了FMCW激光雷达的工作原理，介绍了FMCW激光雷达的基本性能和发射系统参数指标的关系；第3部分介绍了多种基于内调制方案产生FMCW信号的激光雷达；第4部分介绍了外调制方案产生FMCW激光信号的激光雷达系统；第5部分对文中提到的近十年来国内外多种不同调制方式的FMCW激光雷达系统进行了对比与总结和展望。

2 频率调制连续波激光雷达的基本原理

FMCW激光雷达是一种发射功率恒定但光载波频率(或相位)持续周期性变化的雷达类型，通过相干检测的方式，测量回波信号与发射信号之间由距离延时引入的调制频率差和相对速度引入的多普勒频率差，从而解调出目标的距离与速度。在同等性能指标下，连续波工作模式相比于脉冲工作模式具有更小的平均发射功率和整体功耗，同时相干检测方式将会比直接检测方式具有更高的灵敏度，这意味着FMCW激光雷达可以工作在更低的发射功率下。相应的，FMCW激光雷达需要一个相对复杂的发射源。

2.1 FMCW激光雷达光源的频率调制形式

FMCW激光雷达的光源需要根据测量目的对光载波的频率进行不同形式的调制，目前常用的包括三角波形式、锯齿波形式和正弦形式。如图 1所示，发射信号的频率围绕着光载波频率f_c随时间t周期性变化，每一周期T称为信号重复时间，频率的变化范围(f₁-f₂)称为调制带宽B。使用三角波形状(图 1(a))的调频形式可以较为容易地解调出目标反射信号的多普勒频率，从而可实现同时测距与测速；锯齿波形状(图 1(b))的调频形式常用于与探测目标的相对速度引入的多普勒频移量可以忽略的时候，可以达到相对最大的探测距离。正弦形状(图 1(c))调频信号的产生较为方便，但是解调方式复杂，且其精度相对于高调频线性度的调制形式略差^[9]。

[Image omitted: See PDF]

本文将主要讨论线性调频连续波激光雷达。线性调频连续波是指光载波在每段频率调制的单调周期内，频率随时间线性变化的调制形式。这里介绍的三角波调制形式和锯齿波调制形式即为两种常用的线性调频连续波激光雷达光源的调频形式。

2.2 FMCW激光雷达测距基本原理

以三角波形式频率调制为例，本节将简单介绍FMCW激光雷达测距的基本原理。如图 2(a)所示，发射信号的频率随时间周期性上下线性变化，上升时间与下降时间相同，频率平均值为f_c。从准直器出射照射到被测目标再散射回接收端所用的传输延时记为τ，信号频率的变化范围记为带宽B。由于信号频率随时间线性变化和被测目标相对位移产生的多普勒效应，接收到的回波信号与本振信号的频率之间产生了频率差df，图 2(b)，频率差由因距离延时τ引入的频率变化量f_R和多普勒频移f_D构成，在频率上升沿产生的频率差Δf₁和频率下降沿产生的频率差Δf₂与f_R之间各相差f_D。那么由距离引入的差频量f_R和多普勒频移f_D就可以通过相干解调的方式由Δf₁和Δf₂计算得出：

[Image omitted: See PDF]

\(\begin{array}{l} \left\{ \begin{array}{l} {f_{\rm{R}}} = \frac{{\Delta {f_1} + \Delta {f_2}}}{2}\\ {f_{\rm{D}}} = \frac{{\left| {\Delta {f_1} - \Delta {f_2}} \right|}}{2}\\ \gamma {\rm{ = }}\frac{B}{{T/2}} = \frac{{2B}}{T}\\ \tau = \frac{{{f_{\rm{R}}}}}{\gamma } = \frac{{(\Delta {f_1} + \Delta {f_2})T}}{{4B}} \end{array} \right.\\ \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l} R = \frac{{c \cdot \tau }}{2} = \frac{{c \cdot {f_{\rm{R}}}}}{{2\gamma }} = \frac{{c(\Delta {f_1} + \Delta {f_2})T}}{{8B}}\\ v = \frac{{{f_{\rm{D}}} \cdot c}}{{{f_{\rm{c}}}}} \end{array} \right., \end{array} \)(1)

式中：γ代表发射信号的频率变化速率，R代表激光雷达与被测目标的距离，c代表光速，v代表目标速度在激光雷达与被测目标连线上的投影，f_c代表发射信号光载波的中心频率。由此，即可解调出被测目标的距离R与相对速度v。

在激光雷达接收端能够实际接收到的拍频电信号如图 2(c)所示，拍频电信号由本振信号和回波信号在光电探测器(photodetector, PD)上相干拍频产生。三角波形调频光在扫频周期T内上升与下降沿的拍频信号频率不相等是由于多普勒效应导致的，通过对单调区间内的每一段电信号做傅里叶变换，即可得到这段时间内拍频电信号的频率值用于距离解调计算。

2.3 FMCW激光雷达的重要指标

本节将介绍FMCW激光雷达的指标与其光源性能参数和一些其他因素的关系：

1) 最大探测距离：对于激光雷达而言最重要的指标之一便是最大探测距离，这项指标受到很多因素的综合影响。其中发射信号的重复周期T决定了激光雷达能实现的最大无模糊距离，只有在时间T或者更短的时间内被接收到的回波信号才能解调出正确的距离信息，在超出T时刻接收到的回波信号会因与后续发射信号产生的回波无法区分而产生模糊。对于FMCW激光雷达这种相干探测体制的雷达而言，最大探测距离还受到发射光信号的相干长度影响，超出相干长度的目标回波会使信号功率极大下降，信噪比(signal noise ratio，SNR)减小以至于无法检测。此外发射光功率、接收器带宽与灵敏度、传输介质损耗、目标散射效率、天线孔径、环境背景噪声等因素也会引起SNR的变化，所以在设计时需要考虑应用场景综合分析^[11]。

2) 距离分辨力：FMCW激光雷达的距离分辨力S_r(range resolution)代表该雷达单次测量中可区分的目标间最小距离，单纯地由光源调制带宽B决定^[12]，并满足：${S_{\rm{r}}} \ge c/(2B)$；

3) 角分辨力：FMCW激光雷达的角分辨力(angular resolution)指激光雷达在单次探测中把距离R相同但是相对角度不同的目标区分开的能力，根据高斯光束的瑞利判据^[13]，光束发散角θ受到发射端准直器的孔径d与光载波波长λ的影响，满足$\theta = 1.27\lambda /d$；那么在测量距离为R时，可区分的径向距离S_A可表示为${S_{\rm{A}}} \ge 2R \cdot \sin (\theta /2)$。

在工作波长固定的前提下，为了提高角分辨能力，常用的方法是增加天线孔径d以减小光束发散角。所以用于成像的FMCW激光雷达通常和综合孔径技术结合，通过对目标在不同位置的多次测量与相关算法增大虚拟孔径以提高角分辨能力^[14]。

4) 距离测量与角测量的准确度：FMCW激光雷达的距离测量准确度(accuracy)代表雷达测得的距离分布的均值与真实距离之间的差距，其主要受到光源频率调制的线性度和测量系统校准的影响；角测量准确度受到发射端扫描器件的角度准确度影响。

5) 距离测量与角测量的精度：FMCW激光雷达的距离测量与角测量结果的精度(precision)反映了雷达对同一目标测量结果的一致性程度，受到光源的各参数稳定度和角扫描重复性与最小步长的影响。

6) 测量速率：FMCW激光雷达的测量速率是指雷达获得一个探测数据的时间的倒数，其主要受限于调制信号重复速率，高重复速率代表了更快的测量刷新率与测量效率。但是值得注意的是，高重复速率和长可探测距离不可兼得，需要考虑信号重复周期、接收端带宽，ADC采样速率和存储器深度等限制因素并具体分析。

2.4 FMCW激光光源的产生方式

从上述分析中可以看出FMCW激光雷达的指标主要受限于光源的性能参数：在接收端的相干检测方法都比较成熟^[15]；由于高速模数转换器(analog to digital converter，ADC)、数字信号处理(digital signal processing，DSP)等技术的快速发展，后端数据的采集和处理目前也不是整体指标的瓶颈；所以如何产生性能优越的光调频信号成为了FMCW激光雷达研究者们关注的重点。

根据调谐器件与激光器的关系，目前实现激光光载波频率调制的方法可以分为内调制技术和外调制技术两种。内调制技术是指调制过程与激光振荡建立同时进行的调制技术，通过调制改变激光腔的谐振参数，从而实现激光器输出频率的变化，主要包括调制谐振腔的光学长度或改变腔内的增益损耗谱位置等方式；外调制技术是指在激光振荡建立之后，在激光出射的光路上使用调制器对光场参数进行调制的技术。

3 基于内调制技术的FMCW激光雷达

内调制技术是指在激光建立的过程中使用调制信号去控制激光振荡的某一参数，以达到控制激光的频率，强度等参数的目的。其中激光振荡的参数包括谐振腔腔长、增益谱位置、腔内损耗等，可以通过腔长调谐，电流注入调谐等方式实现。

3.1 外腔激光器腔长调谐方案

2002年，美国海军实验室(Naval Research Laboratory)在Optics Letters上首次报道了使用综合孔径与频率调谐光源的二维扫描模式成像激光雷达^[16]，实验装置如图 3(a)所示。实验中光源采用了New Focus公司的1550 nm波段的单纵模可调谐外腔激光器(New Focus 6328HP)，通过调节一端腔镜光栅的倾角作为腔内选模方式实现输出波长线性调谐，调谐范围10 nm，调谐速度为10 nm/s，输出功率为5 mW。发射端采用了8 cm焦距的准直透镜，使发射光束在30 cm距离处的目标上呈1 cm左右的光斑，并以50 μm的步长在x方向上步进扫描200步。经过综合孔径算法^[17]处理后，x方向分辨力达到90 μm，y方向分辨力达到170 μm，目标和测量结果图 3(b)、3(c)所示。

[Image omitted: See PDF]

而后在2005年，美国航空航天公司的Buell等人采用类似的方案使用FMCW激光雷达对散射型非合作目标进行成像^[18-19]，如图 4(a)。其光源采用NetTest Tunics Plus公司的外腔式半导体激光器，使用了1539 nm~1568 nm之间约20 nm的波长调谐范围，单次调谐周期为0.36 s，等效频率调谐速率为10.5 THz/s。该系统距离分辨力的理论值达到了0.06 mm，并使用综合孔径技术在2 m的探测距离上实现了优于0.5 mm的距离分辨力，成像结果和被测目标见图 4(b)所示。

[Image omitted: See PDF]

上述方案由于腔长调谐过程中实现发射波长线性变化，而在频率域中呈非线性，使得有效信号区间变短，会对测量准确度和分辨力都产生影响，所以在解调过程中需要引入参考臂进行辅助。此外，由于使用外腔调制光源，实际应用中还需要注意同步每次调谐的初始频率是否一致，以满足测量一致性的要求。

3.2 半导体激光器注入电流调谐方案

2009年加州理工大学(Caltech)的Yariv课题组提出使用分布反馈(distributed feedback，DFB)激光器产生线性频率调制光的方案，如图 5(a)所示^[20]。该方法结合了半导体激光器的注入电流调谐效应和光电反馈环技术，实现了1550 nm波段光源在1 ms内100 GHz的频率调谐范围，并使用此光源进行实时测距，其距离分辨力达到了1.5 mm，如图 5(b)。该小组于2012年使用垂直腔表面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)实现了2 ms内400 GHz的频率调谐范围^[21]，表明该方案可以用于多种半导体激光器。半导体激光器注入电流的变化改变了共振腔内的折射率，从而使腔内光程和谐振纵模模式都产生变化，实现了激光器输出纵模波长的调谐；腔外使用光电锁相环技术，通过负反馈作用实现了激光器频率调谐的线性变化，保证了频率调谐的高线性度。这种方案避免使用机械振动的部件，完全电控可调，而且调谐方式简单。但是由于半导体激光器本身的结电容限制了激光器的响应速率以及腔内光场建立时间的存在，使得可调谐范围、调谐速率、输出线宽等参数较难进一步提高。

[Image omitted: See PDF]

为了提高探测距离分辨力，最直接的办法就是增加光源的输出可调谐带宽。2018年美军RDECOM CERDEC夜视与电子传感指挥部展示了使用12个DFB激光器拼接成超宽带FMCW激光雷达的实验结果^[22-23]。该方案使用了12个线宽为3 MHz且输出波段相连的DFB激光器阵列，在3 ms内依次输出从1524 nm连续调谐到1568 nm的线性调频光，每个激光器在240 μs内调谐3.6 nm，总频率调谐范围达到5.56 THz。在16 m的工作范围内，其理论距离分辨力达到26.98 μm，实验方案如图 6(a)所示。虚线框中所有的元件被放置在一个自制的PCB板上，该部分通过过零(zero crossing, ZC)检测PD3(Photodetector)的输出信号与参考信号X_ref比较，进行驱动电流的控制，实现了12个DFB的激光阵列依次顺序发光并保持频率线性调谐。为了实现弱信号的相干检测，PD1使用了平衡探测器，PD4用于接收通过HCN(hydrogen cyanide)气室的光信号以跟踪输出的绝对波长，半导体放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)和半导体制冷器(thermo...