前沿进展 | 基于混沌光梳的并行激光雷达新架构

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，北京大学电子学院王兴军教授课题组与常林研究员课题组合作，提出了一种基于混沌微腔光梳的并行激光雷达新架构，团队利用光源各通道天然的随机调制特性以及良好的正交性，实现了高精度并行三维成像，并演示了10通道规模的单像素成像。这一方案能够解决当前激光雷达所面临的时间-频率拥塞问题，极大简化收发系统的复杂度，并降低未来激光雷达系统的体积、功耗和成本。

相关成果以“Breaking the temporal and frequency congestion of LiDAR by parallel chaos”为题，于2023年3月发表在Nature Photonics上。

2023 | 前沿进展

02 研究背景

激光雷达作为一种三维感知技术，是光学探测由被动到主动的发展延续，凭借其对空间目标超高精度的探测能力，早在二十世纪六七十年代就被广泛应用于地理测绘、武器装备和卫星对接等领域。

近年来，随着通用 AI 技术的高速发展和硬件算力水平的迅速提升，以自动驾驶为主的新兴应用获得了大量投资和关注，这在客观上带动了激光雷达技术的民用化下沉。当前，激光雷达已经发展成为 Level 3级以上自动驾驶场景必不可少的感知设备，对周围环境实时获取宽探测视野和超高成像分辨率信息的并行激光雷达、对于更高安全级别的自动驾驶至关重要。

然而，随着道路和车辆上搭载的激光雷达数量的不断增加，多台激光雷达设备通道间串扰和设备间相互干扰发生的概率也会显著增加，这不仅限制了单台激光雷达并行通道数规模的进一步提升，也会极大提高系统的复杂度。

事实上，现有的抗干扰手段需要对激光雷达的每一路发射光信号进行调制，建立只有本机能够识别的加密信道，以解决高密度、多通道环境下的时间-频率信道拥塞问题，但随着并行通道数量的提升，这种方案无法满足激光雷达系统在低成本、小型化和低功耗方面的发展需求。

此外，调制光信号所采用的伪随机调制方式具有可预知性，无法抵御外部信号的恶意攻击，也会对自动驾驶的安全性造成极大影响。因此，发展简易、高效的多波长随机调制光源对于激光雷达系统的规模化扩展至关重要。

03 研究创新点

传统的多线激光雷达（Time of flight, TOF） 使用脉冲光信号进行探测（图1），若只是简单堆叠激光发射器的个数来扩展并行通道数，容易受到相邻信道或者外部脉冲源信号的干扰，造成时域堵塞问题，常规手段是对每一路探测通道进行独立的正交编码、或伪随机调制来消除影响，这就需要额外的调控和设备，搭配阵列式的接收系统，会造成硬件成本和系统复杂性的显著上升。

调频连续波（Frequency modulated continuous wave, FMCW）激光雷达虽然能够抵抗环境光的影响，但在相同体制激光雷达照射下，仍然会受到相同频率调制信号的互串扰影响，造成频域堵塞问题。

图1(a)激光雷达的时间-频率信道拥堵问题；(b)自动驾驶中激光雷达的高密度使用场景；(c)集成并行混沌激光雷达系统架构

该团队创新性地提出了一种基于混沌光梳（Chaotic Comb）的新型抗干扰并行激光雷达系统架构（图1c），发射的多波长随机调制信号通过光放大后分为两路，一路作为探测光经过空间色散发射到不同的方向角进入自由空间，另一路通过解复用后输入探测器阵列作为本地参考。

探测光照射在目标表面散射后的回返光被探测器吸收进行光电转换，最终在回返信号与各自对应通道的参考信号进行互相关计算，提取相关峰对应的飞行时间，并最终计算得到探测点到发射端的距离。混沌光梳的多通道特性能够在有限的空间内实现多维光复用以拓展激光雷达的探测效率，搭配空间色散方案能够减少可动部件的使用，提高系统稳定性。

另外，多通道间的正交隔离特性能够减少相邻通道间串扰，在实现并行检测的同时减少接收端探测器的数量。这样能够极大简化激光雷达的收发端系统，有利于并行规模和探测能力的提升。

事实上，对于激光雷达的应用场景，要想充分发挥多波长光源的并行优势，必须解决高鲁棒性的并行源的可重复产生、收发系统的简化以及多通道间互串扰的抑制这三个主要问题。不同于相干态光梳，混沌光梳是在反常色散波导微腔中产生亮孤子前的调制不稳定状态，其各通道光的幅度和相位具有随机抖动的特性（图2c），能够实现并行随机信号产生，无需外部调制，是一种天然的物理熵源。

图2 微腔光梳混沌状态光学特性表征 (a)非线性光芯片；(b)混沌光梳光谱分布；(c)单通道的时域随机调制信号；(d)单通道自相关峰；(e)单通道混沌带宽；(f)不同材料平台产生混沌光梳的自相关峰半高宽与泵浦功率的关系；(g)高非线性III-V材料产生混沌光梳的自相关峰半高宽与激光器-微腔失谐量间的关系

如图2e-g所示，实验中通过自相关测试，得到随机调制信号的混沌带宽能够达到7 GHz，且调制不稳定状态在18 GHz的激光-谐振腔失谐范围内展现出了稳定的随机特性，对泵浦源的频率抖动具有良好的鲁棒性。同时，得益于高非线性系数的III-V族材料，产生混沌光梳所需的阈值功率相比其他材料低1-2个数量级，能够使用片上分布反馈式激光器作为泵浦源进行激发，可实现混沌光梳光源的单片集成。

在此基础上，该团队搭建了并行激光雷达演示系统并对实物目标进行了高精度三维成像(图3)，其中使用了多根梳齿组成并行探测通道，实现高达4 Mpixels/s的点云采样率；通过增大光学微腔内的光功率密度，混沌带宽还能进一步提升，测距分辨率可达到毫米量级。同时，该团队还验证了10路空间探测信号混叠后经由单个接收探测器同时检测的能力，证明了通道间良好的正交隔离特性。

图3 并行混沌激光雷达三维成像演示 (a)测试系统框图；(b)静态目标的三维点云；(c)三维点云侧视图；(d)三维点云距离分布直方图

在抗干扰能力方面，该团队还对不同体制信号影响下的抗噪功率抑制比（Interference signal ratio, ISR）进行了测试，实测可得在3 dB阈值判据和12.5微秒积分时间下，单路信号的功率动态范围接近60 dB，对调频连续波信号的抗噪功率抑制比接近30 dB，对自身随机调制信号的抗噪功率抑制比可达22 dB，展现出了良好的抗干扰能力。

图4 并行混沌激光雷达抗干扰能力验证 (a)动态范围测试；(b)调频连续波抗干扰测试；(c)自身随机调制信号抗干扰测试

04 总结与展望

随着自动驾驶应用的广泛普及，高密度、多通道环境下的时间-频率信道拥塞问题会极大限制激光雷达的并行规模和探测性能。微腔光梳所具有的高效频谱扩展和集成化的能力对实现激光雷达系统的并行化和集成化提供了可能。

该工作围绕高密度场景下多通道激光雷达系统的实现方式，创新性地提出了一种基于混沌光梳的并行混沌激光雷达系统方案，同时实现了抗干扰和高精度并行探测。混沌光梳各通道天然的随机调制特性和通道间的正交隔离性，极大提升了系统的抗干扰能力，有利于实现低复杂度的收发系统。

此外，该工作在高非线性III-V族材料平台上实现了低阈值、高混沌带宽、高正交性的混沌光梳产生，充分展现了其在系统集成化、小型化方面的巨大潜力和发展前景，为下一代高性能激光雷达的发展开辟了新的方向。

北京大学博士后陈睿轩，研究员舒浩文，博士生沈碧涛和研究员常林为该工作的共同第一作者。北京大学王兴军教授，常林研究员和加州大学圣巴巴拉分校的John. E. Bowers教授为该项成果的并列通讯作者。加州大学圣巴巴拉分校的谢卫强博士（现任上海交通大学副教授），北京大学博士后廖文超，博士生陶子涵为该工作的重要合作者。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41566-023-01158-4

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编辑 | 方紫璇

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