引用本文:
代志伟,樊昕昱,何祖源. 面向FMCW激光雷达系统测距测速的光源相位噪声补偿方法[J]. 光通信技术,2021,45(7):5-9.
代志伟,樊昕昱*,何祖源
(上海交通大学 电子信息与电气工程学院,上海 200240)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:由于目标运动时对后期处理式的相位噪声补偿方法有影响,回波拍频信号相位噪声与辅助干涉仪获取的相位噪声不匹配,导致引入额外残余相位噪声。针对该问题,分析了调频连续波(FMCW)激光雷达系统中目标物体运动对于传统光源相位噪声补偿法的影响,提出了一种预估目标距离及速度进行光源相位噪声补偿的新方法。系统光源部分采用分布反馈(DFB)激光器,使用电流直接调制进行线性扫频。对运动物体进行实测的结果表明:采用新型光源相位噪声补偿方法,测量精准度提升了41倍,且能同时精确测量距离与速度。
关键词:调频连续波;激光雷达;预失真;相位噪声补偿;分布反馈激光器
中图分类号:TN256 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2021)07-0005-05
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2021.07.002
0 引言
调频连续波(FMCW)激光雷达技术具有测距测速精度高、抗杂光干扰能力强以及可以同时实现距离与速度测量等优点[1-3],是激光雷达技术的重要发展方向之一。由于相位噪声的影响,FMCW激光雷达获得的拍频信号会发生展宽,此时无法通过拍频频率获得准确的目标距离及速度信息[1,4],因此如何补偿光源相位噪声极为关键。
目前,补偿相位噪声主要有3类方法:第一类为扫频预失真方法。美国加州大学ZHANG X等人[5]运用迭代控制对半导体激光器注入电流进行预失真,系统测距分辨率达到了0.97 mm,但该方法受限于调频频率-电流响应的一致性,并且无法修正光源自身引入的相位噪声,只适用于短距离的场景。第二类为实时校正方法,一般通过光电负反馈维持扫频过程中的线性度[6-8],或者通过前馈方式补偿扫频过程中的相位噪声[9-10]。上海交通大学秦杰等人[6]使用2路反馈对商用分布反馈(DFB)激光器进行相位噪声补偿,在750 m处距离分辨率仍有15倍的提升效果。这一类方法通常需要较多光电设备,系统复杂成本高。第三类为后期数据处理方法[11-12]。该类方法有较好相位噪声补偿效果,并且无需复杂系统,成本较低,但是当目标物体运动时,相位噪声补偿效果会恶化[5]。因此,如何避免或减轻这种恶化效果,是该类相位噪声补偿方法在激光雷达实际应用中的关键问题。
本文分析目标速度对后期处理式的相位噪声补偿方法的影响,并在此基础上提出一种新型的光源相位噪声补偿方法。
4 结束语
本文提出一种基于目标距离及速度预估的相位噪声补偿方法,克服了目标运动时相位噪声补偿效果恶化的问题,与采用光电反馈或前馈的实时相位噪声补偿方法相比,本文提出的方法不需要复杂的系统,成本极低、稳定性较好,该方法可以在不提升系统复杂度的情况下显著提升性能。实验搭建了DFB激光器直接电流调制扫频的FMCW激光雷达系统进行户外测量。实验结果表明:对于速度为8 m/s的运动物体,传统后期处理式相位噪声补偿方法已经无效,在采取本文的改进方法后,测量精准度提升了41倍。针对一般中近距离应用,该方法可通过合理设置功率、镜头孔径等保证足够的信噪比,在确保信号正确检测的基础上,发挥该方法后续带来的性能提升优势。该方法对硬件计算性能有一定的要求,目前实验中暂未实现数据实时处理,计算量主要源于希尔伯特变换取相位与等相位重采样的过程。在后续改进中,可使用90°光混频器代替希尔伯特变换实现辅助干涉仪信号相位获取[10,15],等相位重采样过程可使用现场可编程门阵列快速实现[15]。完成上述改进后,预期可实现数据的实时处理。