Chinese Optics Letters
Search
动态信息

COL Highlight (Vol. 23, Iss. 2): 高精度多通道时域波分复用FMCW激光雷达测距和三维成像

阅读:716时间:2025-3-24 17:02:30

主编推荐 |高精度多通道时域波分复用FMCW激光雷达测距和三维成像

 

Chinese Optics Letters 2025年第2期Editors’ Pick:

 

Junchen Liu, Guohao Chen, Mengxin Liu, Wanghang Gu, Taoyu Qian, Xinghua Qu, Fumin Zhang, "High-precision multichannel time-domain wavelength division multiplexing FMCW LiDAR ranging and 3D imaging," Chin. Opt. Lett. 23, 021203 (2025)

 

研究背景:

 

先进装备制造产业对测量技术提出了高精度、多用途、多维度几何量测量的需求。多路激光测距技术展现出传感方式统一、误差来源少、测量效率高等卓越性能。调频连续波(FMCW)激光测量技术具有高精度、动态范围大、抗干扰能力强、高信噪比等技术优势,能够实现大尺寸、无合作目标绝对距离精密测量,在精密加工、设备装配定位、多维度形貌扫描等工业测量应用中显示出巨大潜力。

 

传统激光雷达系统的特点是体积大、成本高,集成光子学技术可实现将激光雷达集成化、芯片化,但现有的芯片化激光雷达方案普遍采用机械扫描仪来扩展成像范围,这极大限制了大时间带宽积(TBWP)FMCW激光雷达的效率。大规模并行相干测量架构可以显著提高测量效率,由于不依赖机械光束扫描装置,可以实现多通道高速率数据采集,但测量通道数决定了环形器、光电探测器、光放大器等的数量,明显增加了系统的复杂程度。此外,现有并行相干测量架构实现的FMCW激光雷达各个通道调制带宽仍然较小,非机械光束扫描仪提供的成像范围小,路径固定,种种限制对工业领域针对大尺寸、非合作目标,实现高精度、多用途测量工作带来极大挑战。

 

为解决上述问题,天津大学张福民教授团队提出了一种结合光开光的时域波分复用多通道并行FMCW激光雷达系统,结合FMCW激光的大时积带宽调制光源特性与光开关连续时域波段切换作用实现时域波分复用技术,完成多通道并行测距,单通道多长度信息的统一传输,提高测量效率,具备对单一目标高精度测量的能力,为大规模空间目标三维成像和多维几何测量提供了新方法。相关成果发表在Chinese Optics Letters 2025年第23卷第2期。

 

图1 时域波分复用多通道调频连续波激光雷达。

 

研究内容与结果:

 

针对先进装备制造场景多维度测量需求,作者团队提出一种结合光开关的时域波分复用多通道调频连续波激光雷达系统方案,利用FMCW激光大时积宽带连续调制光源特性和光开关阵列的高速时域波段切换作用,实现多目标并行测量、单通道多长度信息的统一传输FMCW激光时域波分复用技术,为复杂大尺度空间提供长度、位置、姿态等多维几何量基准和先进的三维分析策略。时域波分复用多通道FMCW激光雷达系统架构及测量过程原理示意图如图1所示。该FMCW激光雷达系统可以对同一目标通过多通道测量均值来提高测量精度,也可以实现多路距离测量的应用。针对放置在直线精密导轨最远距离为1.3m的无合作目标,获得整体优于14μm,各通道小于20μm的绝对距离测量精度,空间目标三维点云探测数据精度优于1cm。实验结果表明,时域波分复用多通道FMCW激光雷达系统在多用途距离测量和三维成像应用中稳定性强、精度高,相较于传统策略测量效率和性能提高效果显著。

 

未来展望:

 

将时域波分复用FMCW激光雷达系统与先进辅助扫描器件结合是作者团队未来的研究方向,可以有效实现实际场景环境感知。配合芯片级阵列波导栅格和透镜辅助光束转向技术,从而进一步小型化系统,并拓展在实际应用中的发展潜力,包括精密轮廓测量、大型设备组装和空间探索。