2004-2024年可调谐激光雷达研究领域国内外发展研究2025.2.28
一.可调谐激光雷达概述
1.1 基本原理
可调谐激光雷达的基本原理建立在 调频连续波(FMCW) 技术之上。这一技术巧妙地结合了激光光源的波长可调谐性和相位敏感检测的优势。其核心在于利用可调谐激光器在短时间内快速改变输出波长，形成特定的频率调制信号。当这种调制信号遇到目标反射回来时，在接收端会产生一个与目标距离和运动状态相关的中频信号。通过对这个中频信号进行分析，可以精确计算出目标的距离和速度信息。
这种方法不仅提高了测量精度，还显著降低了系统复杂度和成本，为可调谐激光雷达的广泛应用奠定了坚实的理论和技术基础。
1.2 应用领域
可调谐激光雷达凭借其独特的优势，在多个领域展现出广阔的应用前景：
- 大气环境监测 ：用于高分辨率气体浓度测量和风场探测。
- 工业过程控制 ：实现非接触式温度和成分分析。
- 生物医学成像 ：提供高精度组织结构和功能信息。
- 农业精准管理 ：应用于作物生长监测和病虫害预警。
- 考古学研究 ：用于文物表面微小形貌的无损检测。
这些多样化应用充分展示了可调谐激光雷达在科学研究和实际生产中的重要价值，为其未来发展开辟了广阔空间。
1.3 技术优势
可调谐激光雷达技术在2004年至2024年间展现出了显著的技术优势，尤其在 高精度探测 和 抗干扰能力 方面取得了重大突破。这些进步主要体现在以下几个方面：
-
高精度探测
可调谐激光雷达的核心优势之一是其出色的探测精度。研究表明，通过采用 调频连续波(FMCW)技术 ，可实现同时测量目标的距离和速度，大幅提升了空间分辨率。例如：华中科技大学研究团队开发的基于DBR激光器的FMCW激光雷达系统，在24GHz的调谐带宽内，实现了0.021%和0.02%的非线性度，这表明系统具有极高的线性度和测量精度。这种高精度探测能力使得可调谐激光雷达在大气环境监测、工业过程控制等领域具有独特优势。 -
抗干扰能力
另一个关键优势是可调谐激光雷达的 抗干扰能力 。通过采用相干探测技术，可调谐激光雷达能够有效抑制背景噪声干扰，即使在强环境光条件下也能保持稳定的探测效果。这种技术特别适用于户外应用场景，如车载激光雷达系统。 -
灵活性和多功能性
值得注意的是，可调谐激光雷达还具有 灵活性和多功能性 的优势。通过调整激光器的工作波长，可以在不同的应用场景之间灵活切换。例如：在大气环境监测中，可以通过选择特定波长来探测不同种类的气体；在工业过程中，可以根据需要选择最适合的波长来进行温度或成分分析。这种灵活性使得可调谐激光雷达能够在多个领域找到应用，大大拓展了其市场潜力。 -
高效率和低功耗
此外，可调谐激光雷达还具有 高效率和低功耗 的特点。通过优化激光器设计和控制系统，研究人员成功实现了高功率输出和低功耗运行的平衡。例如：华中科技大学开发的新型大功率单模半导体激光器，在1.55μm波长附近实现了近180mW的输出功率，同时保持了良好的单模特性（边模抑制比超过55dB）。这种高效率和低功耗的特点使得可调谐激光雷达更适合长时间、持续性的监测和探测任务。
二.2004-2014年发展阶段
2.1 早期研究重点
在可调谐激光雷达发展的初期阶段，研究者们主要聚焦于解决系统的核心问题，即如何实现高性能的可调谐激光源。这一时期的研究重点可以概括为以下几个方面：
-
集成化设计 ：研究者致力于开发单片集成的可调谐FMCW激光器，旨在提高系统稳定性和降低制造成本。例如：L. Zhang等人开发了一种单片集成的可调谐FMCW激光器，采用了环形腔设计，集成了增益段、腔内相位调制器和级联非对称马赫-曾德尔干涉仪(AMZIs)。
-
线性度优化 ：研究者努力提高频率啁啾的线性度，这对于提高测距精度至关重要。通过优化腔内相位调制器的设计，研究者成功实现了高度线性的频率啁啾， 均方根频率误差仅为1.8兆赫，频率非线性度(1-r²)为1 × 10⁻⁵ 。
-
快速调制能力 ：为了满足高速激光雷达的需求，研究者探索了激光器在高频调制下的性能。实验结果显示，