新闻资讯
News
08
2025
-
04
Nature Communications | 单通道1.79 GHz绝对距离测量
作者：
导读
随着人工智能与自动驾驶技术的飞速发展，如何实现高速、高精度的三维环境感知成为核心挑战。当前智驾系统采用的环境感知方案主要包括纯视觉（摄像头）、毫米波雷达、激光雷达等三种。其中，激光雷达（LiDAR）作为关键传感器具有分辨率高、抗有源干扰能力强等优点，但其采集率与非模糊范围的权衡问题却长期制约着激光雷达硬件的性能和成本。
当今广泛采用的激光雷达测距的原理和方法主要包括飞行时间（ToF）法和调频连续波（FMCW）法。以当前实现规模化商业应用的飞行时间（ToF）法为例，该方法虽能实现兆赫级采集率，却受限于脉冲发出间隔，难以实现长距离的绝对距离测量，在最大探测距离这一指标上与成本更低的毫米波雷达相比不占优势，还面临抗干扰能力差、人眼安全性差的问题。调频连续波（FMCW）法可以用较低的光功率实现较大的绝对距离测量范围，但单次测距的用时又受到原理和算法的限制。
清华大学精密仪器系与中山大学电子与信息工程学院合作，从方法与器件两个维度实现了技术突破，提出基于重频可调的集成铌酸锂电光频率梳的调重频相干测距方法（Repetition Rate Modulated Frequency Comb, RRMFC），成功实现1.79 GHz单通道采集率的绝对距离测量，较现有技术提升1个数量级以上，有望将现有激光雷达系统中的数百个并行探测单元简化为1个，为自动驾驶、无人机等领域的实时高精度感知提供了全新解决方案。
设计思路和工作原理
该团队设计的基于重频可调的集成铌酸锂电光频率梳的距离测量系统的原理如图1所示。该设计使用一个电控重复频率的集成电光频梳作为光源，并在GHz范围内线性扫描电光频梳的重频。根据电光频梳的调谐特性，n阶梳齿的频率扫描范围为电调谐范围的n倍，且各梳齿扫频过程是同步的。包含所有级次梳齿的电光频梳信号在测距用不等臂干涉结构中被目标物体反射，并与本振信号相干探测。正负对称的各级梳齿在相干探测后被采集到的拍频信号如图1右上图所示，它们各自的拍频频率呈倍数关系且能同时取到最大。实际探测到的拍频信号是以上所有级次拍频信号的总和。正如信号与系统中从正弦信号到周期脉冲信号的频谱变化过程一样，实际探测到的拍频信号与正弦信号（通常是由FMCW系统获得）相比，具有相同的周期和显著的尖峰（图1右下图）。在时域中直接探测每两个相邻尖峰的时间差，即可算出待测目标的绝对距离。
图1：RRMFC距离测量原理图
图源：Nature Communications
RRMFC距离测量具有以下显著优势：
-
测距刷新率高。因为每个周期具有足够显著的时域特征（图2a），每两个时域尖峰即可用于完成一次测距，因此距离数据的刷新率远高于一次扫频的时间所对应的频率，最高可以达到拍频信号的基频频率。
-
不受方法限制的非模糊范围。与ToF类系统相比，RRMFC的原理基于扫频相干探测，因此绝对距离测量范围在相当程度内不受方法本身限制（图2b）。
图2：RRMFC距离测量方法的优势
图源：Nature Communications
电光频梳器件设计与表征
要想发挥出RRMFC的全部性能，电光频梳需要能在数微秒的时间内扫描数GHz的重复频率，现有的电光频梳结构难以满足这一严苛的性能需求。研究团队基于自身研究背景，提出了集成铌酸锂直波导式折叠光路相位调制电光频梳结构（图3）。这一结构由长度达到5厘米的集成铌酸锂电光相位调制器组成，可以在尽最大可能增加相位调制深度（增加电光频梳梳齿数量）的情况下，实现独一无二的无限制重频调节能力。为了达到5厘米的调制长度和尽可能小的微波损耗，研究团队提出了折叠光路结构，并应用了倒角电极和空气桥等微波传输线技术。
得益于简单且有效的结构设计，这一电光频梳在重复频率调谐过程中不仅可以实现无限制的调节范围，还可以实现在调节过程中梳齿数量保持稳定、平滑变化。 器件加工主要是在研究团队加工平台中完成的。图3b展示了封装后的相位调制器电光频梳，该器件可以实现在6 GHz下59根梳齿生成，并平滑过渡到10 GHz下的53根（图3c）。
高速距离测量的验证
研究团队利用加工完成的相位调制电光频梳开展了距离测量的实验验证工作。实验中设计了针对不同距离目标、使用不同扫频范围和扫频频率的验证。在针对62 m目标距离的验证中，测得最高测距刷新率达到1.79 GHz（图4a）。测距刷新率随着待测距离的增长（图4b）、扫频的范围和速度的提升而提升。图4c展现了测距阿伦方差的实验结果，针对于各距离、各扫频范围和速率的结果均能实现最小相对阿伦方差达到 10−5量级；在3 m距离测量中可以实现的最小阿伦方差达到了13.8微米。
图4：RRMFC测距结果
图源：Nature Communications
研究团队还开展了面向三维环境感知的实验。在实验中，信号光路的光借助于二维振镜被发射到空间中的各个方向。测距光路中放置了一个刻有“THU”字样的未经抛光的铝板（图5a）。实验中利用单一通道的RRMFC距离测量系统开展了三维的距离测量，测量结果如图5b所示。得益于RRMFC的高速测量能力，实验中实现了高达3 MP/s的单通道点频，这一点频数据已经超越了当前多通道激光雷达系统的总点频，且与RRMFC的理论采集率相比仍有很大的提升空间。和传统激光雷达相比，本方法在相同刷新率下的距离测量精密度提升超1个数量级。
图5：基于RRMFC的三维感知实验
图源：Nature Communications
总结与展望
研究团队在本工作中，基于集成铌酸锂直波导式折叠光路相位调制电光频梳结构，提出了重频扫描光频梳（RRMFC）绝对距离测量方案，实现了单通道1.79 GHz的超高刷新率绝对距离测量。这一系统具有测距刷新率高、非模糊范围不受方法限制等优势，可以实现单通道的三维空间感知。这种系统有助于进一步提升车用激光雷达的点频和画面像素数，可实现对于远处小物体的感知（如突然钻出来的行人或自行车等），进一步提升智能驾驶系统的安全性。
在未来的研究方向中，基于RRMFC的全固态激光雷达的实现将是富有挑战并充满意义的工作。当前集成铌酸锂片上激光器、放大器已经有了技术路线和解决方案，利用固态元件（如相控阵等）将信号光发射到足够大范围的三维视场内将对于RRMFC技术落地提供现实意义上的帮助。此外，RRMFC还可以与双光梳测距等方式组合使用，进一步提升性能，实现超大范围、超高精度、超快速度绝对距离测量。
论文信息
Qi, Y., Jia, X., Wang, J. et al. 1.79-GHz acquisition rate absolute distance measurement with lithium niobate electro-optic comb. Nat Commun 16, 2889 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-58018-8
最新动态
2025-04-10
CCIOE 2025丨震撼来袭！8 万㎡展会涵盖光电全产业链，同期 50 余场会议活动引领行业新方向
2025长春国际光电博览会·Light国际会议将于2025年6月10日至13日在长春东北亚国际博览中心举办。
感谢您访问崇帆科技官方网站，如有合作意向或建议，请通过以下方式联系我们，我们会尽快给予回复，谢谢！
移动版
官方公众号