频率调制连续波激光雷达测量技术的非线性校正综述

       天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室张福民教授研究团队综述了调频连续波激光雷达测量中非线性校正技术的研究进展。首先，介绍了调频连续波激光雷达的基本原理，分析了调频非线性对结果带来的不利影响。其次，重点介绍了至今为止较为主流的锁相反馈控制、等光频间隔重采样、光学频率梳校正法和相位比值法四种非线性校正方法的原理和研究进展。另外，简单介绍了其他几种特殊的非线性校正方法。最后，对各种校正方法进行了对比总结，提出结合调频激光和气体吸收池进行直接测距的方法，并对调频连续波激光雷达测量系统与硅光子学进一步结合以实现整体集成化做出了展望。

       2009年，Roos等[1]基于光纤自外差技术搭建了超宽带激光频率啁啾线性化的闭环锁相测量系统，如图1所示。外差拍频信号和稳定的射频参考信号经数字鉴相器比较后，将误差信号据偏差的大小反馈给不同的频率驱动器来保持整个啁啾带宽的相位锁定。最终，在参数设置为800 ms内扫描4.8 THz的情况下，频率线性误差的标准差达到了170 kHz，实现了频率啁啾的精确线性化，这为工业计量以及其他需要精确宽带频率啁啾的领域的实时测量打下了基础。

图1 使用自外差技术进行宽带光学频率线性化的实验装置[1]

       2020年，Kippenberg课题组[2]通过快速调谐泵浦激光的频率，搭建了大规模并行的相干激光测距系统，实现了对目标的距离和运动速度的同步测量，其测量帧率相对于现有的相干测量系统有两个数量级的提升。该系统的提出为实现紧凑型、大规模并行、超高帧率的相干激光雷达系统提供了技术基础。

       2021年，Jia等人[3]提出了基于孤子梳的调频连续波激光雷达非线性校正法(原理如图2)，将孤子梳的高重复频率精度传递给了FMCW激光雷达。结果表明，该测距系统在大尺度、高精度测量领域具有巨大的潜力，并且微谐振腔集成方便，有望在实验室或工业环境中取代传统测距系统。同年，吉林大学的宋俊峰课题组[4]研制出基于SiN-on-SOI (silicon-on-insulator)平台的双层波导光栅天线的光学相控阵(OPA)。将其嵌入到FMCW系统中，实现了大范围、大视场的测量，对汽车激光雷达等需要广角高分辨率光束转向技术的领域起到了较大促进作用。

图2 实验装置示意图。CIR：环形器；CM：准直镜；HGR，水平导轨；PC：偏振控制器；MRR：微谐振腔；BSF：带阻滤波器；OH：光学混合；BD：平衡探测器；PD：光电探测器[3]

       Nicolaescu等[5]采用线性电啁啾频率驱动IQ调制器和焦平面阵列结合的方式实现了片上集成的远距离兼高深度精度的大规模像素3D成像，其原理图如图3。它相当于CMOS图像传感器，将会带来广泛应用。

图3 固态三维成像系统架构[5]

       频率调制连续波激光雷达(FMCW LiDAR)测量技术有着高测量分辨率和测量灵敏度，且无需接触和合作目标，在现代精密测量技术中展现出了较大潜力。由于实际应用中激光频率调制的非线性效应严重降低了测量精度，故常常需要对测量系统进行调频非线性校正。文章总结了锁相反馈控制、等光频间隔重采样、光学频率梳校正法和相位比值法四种主要的非线性校正方法的原理和研究进展，并做了对比分析，还简单介绍了一些其他特殊的校正方法。相比于激光的非线性校正，研究者们更加希望从调频激光源本身的设计入手，实现更趋于线性的调制光源。目前，利用微波源产生线性频率啁啾信号结合电光调制器以获得线性啁啾激光光源是一种较为理想的方式。在全球智能化的大趋势下，FMCW激光雷达与硅光子学的结合已经初具雏形，未来激光雷达系统必将会逐步实现高度集成化和实时化，智能驾驶、生物传感及高精计量等相关应用领域的发展将会得到有效促进。