撰稿|课题组供稿
近日，电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室姚佰承教授、饶云江教授和李博闻教授团队，提出了基于色散傅里叶变换方法，形成新解调机制的激光雷达仪器，突破了测量速度、精度和距离的交叉限制，在无人机等低慢小目标的发现中具有独特优势。论文以
“Dispersive Fourier Transform based Dual Comb Ranging”（基于色散傅里叶变换的双梳测距）为题，发表于国际期刊Nature Communications（《自然-通讯》）。团队博士生常冰、杜俊廷，博士后谭腾为论文共同第一作者，该工作获得了中国工程物理研究院激光聚变研究中心和重庆大学朱涛教授团队的合作支持。此外，本研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。
激光雷达（LIDAR）作为一种强大的工具，能以极高的精度实时绘制空间信息，在工业制造、遥感、机载和车载任务中应用广泛。在过去的二十年里，光学频率梳的快速发展开创了激光雷达的新时代，将测量精度提高到量子噪声限制水平。对于光梳激光雷达系统，为了进一步提高综合性能并调和速度、精度和模糊范围之间的固有矛盾，创新的解调策略至关重要。本研究革新性的采用色散傅里叶变换方法对锁相游标双孤子激光梳进行芯片化数据信息分析，通过在线脉冲拉伸，实现基于全光谱干涉测量，而不是传统的时间干涉测量法或脉冲重建法来识别脉冲的延迟。这使得绝对距离测量的精度达到2.8纳米，兼顾测量距离1.7公里，测量速率最高达到12微秒。此外，该方法具备完全消除死区的独特能力，特别利于动态小目标的实时测量。
激光雷达依赖求解脉冲时延获得距离信息。双梳激光雷达以其高度的灵活性备受青睐，但长期以来，科学家们更注重提升双梳光源的性能，特别是噪声水平。激光雷达的后端信号解调和分析方法，也是关系到测距性能的重要因素，相对而言，近年来研究偏少。传统方案通常直接使用脉冲形态拟合确定脉冲时间信息，由于奈奎斯特采样定律的限制，这样的方法存在速度和测量精度的矛盾。本工作中，研究者使用色散脉冲展宽方式，让双脉冲叠加，形成脉冲内的时间干涉，通过示波器的高分辨率，将“脉冲-脉冲”相对时间测量精度提升到亚百飞秒量级，同时支持更大的光梳带宽。
图1 基于色散傅里叶变换的双梳测距 | a，方法概念；b，双梳测距中的多路脉冲相互作用；c，脉冲的色散傅里叶变换基本原理；d，系统方案；e，色散量对脉冲展宽和测量精度的影响。
图2 单次单点测距 | a，测量结果；b，含脉冲叠加的内部干涉图样；c，脉冲内干涉的快速傅里叶变换；d，测量精度表征，依赖于脉冲内干涉的傅里叶频谱宽度（相干情况）；e，重复测量统计；f，测距Allan方差；g，测量范围。
更有趣的是，这种方法能够有效消除双梳测距中难以解决的“死区”问题。在传统基于脉冲拟合的解调方法中，当两束脉冲太近就会无法分辨，这就是“死区”。所以，当待测目标极度靠近激光雷达或极度接近模糊范围极限时，激光雷达会失效。本方法基于干涉解调，而不是脉冲拟合重构，就完全回避了这个痛点。研究发现，采用色散傅里叶变换求解脉冲间距，在本实验系统中，获得了“雷达-脉冲”最近1微米的测量能力，这使得该激光雷达技术可以用于很多极端场景，包括抵近形貌分析。
图3 死区消除 | a，死区原因；b，超近双脉冲干涉；c，不同测量距离下，均可高质量解出脉冲内干涉的频谱条纹；d，实验测量，最近可达单个微米，而基于脉冲重构方法在1厘米以下均是死区；e，死区参数空间。
基于上述科学方案，研究者进行了静态测距和动态测距的应用验证。在静态测距中，完成了对金属刻板的形貌测量，轮廓分析中，立体图标高度测量的平均精度为0.5微米。在动态测距中，对旋转叶片的动作进行了完整测量，RMS优于70微米，且经过平均后，精度可下探至170纳米。
图4 形貌分析和叶片测量 | a-d，基于静态测距、2D扫描的形貌分析，e-g，旋转叶片的动态测量。
此外，研究者们推进了对该激光雷达的仪器化封装和外场测距演示。搭载在一个水平360度，垂直120度的云台上，可实现对自由空域的扫描，监控飞行目标。以小型无人机为靶机，研究者们成功获取了动态飞行状态下无人机的空间信息，包含角度信息（水平，垂直）和距离信息，展现了雷达测向和测距的全功能形态，能够有效保持对目标的跟踪。在外场，该方案依然保持了单帧测量精度优于1毫米。
图5 无人机（低慢小目标）的侦测演示 | a-b，实施方案和场景；c-d，无人机悬停测量结果；e-f，无人机动态飞行的测量轨迹。
与依赖于时间脉冲分离检索的传统方法不同，基于DFT的双梳激光雷达精确地在光谱中研究了夫琅和费衍射，突破光学带宽带来的奈奎斯特限制，从而提供了一种解决方案来克服双梳测距中速度与精度之间的折衷。这创造了一种强大的工具，用于确定绝对距离，具有高达2.8纳米的高精度、长达1.7公里的广泛非模糊范围（NAR）以及无死区测量的独特能力。利用这种DFT增强的双梳测距方案，我们展示了其在进行高精度形态测量和动态运动检测中的潜在前景。通过结合双梳的维尼尔游标效应、飞行时间技术和干涉分析的综合优势，这种基于DFT的双梳测距方法可以为设计具有更广泛应用的先进激光雷达系统铺平道路，例如定位、成像、变形分析和爆破重建。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49438-z
