研究背景
随着科技的飞速发展，精确的距离测量和三维成像技术在工业生产、精密测量和航空航天等关键行业中扮演着越来越重要的角色。调频连续波测距技术因其卓越的抗电磁干扰性能、高分辨率以及能够同时获取速度和距离信息的特性而被寄予厚望，有望成为下一代革命性的“4D”雷达技术。尽管如此，现有的调频连续波激光雷达系统在探测微弱信号以及在多变环境中的稳定性仍存在不足，这些阻碍了其在更广泛领域的应用。因此，开发出一种既高度灵敏又能有效抵御环境干扰，同时保持测量精度的非合作目标成像技术，已经成为当前亟需解决的技术难题。
清华大学谈宜东教授团队针对这一挑战，提出了一种创新的基于双向啁啾自混合扫频干涉的激光雷达方案。该方案通过自混合干涉过程，将微弱的回波信号注入激光腔内，利用激光器的受激辐射过程实现信号的二次放大，显著提升了系统的测量灵敏度。同时，通过采用特殊的双向啁啾自混合激光器结构和准共路探测设计，实现了环境干扰的实时补偿，进一步提高了系统的成像精度和稳定性。这项研究的成果，不仅有望推动精密制造、无人驾驶、航天航空等领域的技术进步，也为我们提供了一种全新的高精度三维成像解决方案。相关研究以“High precision and sensitivity anti-interference 3D coherent ranging based on dual reversely chirped self-mixing lasers”为题，发表在Advanced Photonics Nexus 2024第6期上。
研究内容
1. 激光自混合弱信号放大技术
在非合作目标探测中，对微弱信号的测量灵敏度一直是制约激光雷达性能提升的关键因素之一。传统方法通常依赖高功率光源或额外的光放大器来提高信噪比，但这增加了系统的能耗和成本。本研究通过激光自混合干涉技术，将回波信号重新注入激光腔内，利用激光器的二次受激辐射放大微弱信号。此外，该过程还对输出的光信号进行调制，使其包含和目标距离相关的拍频频率信息以及反映目标速度的多普勒频移信息。通过这种方法，在不额外增加硬件成本的基础上，研究团队实现了在低于0.1 mW的超低光功率情况下对亚皮瓦级回波功率的探测。这不仅极大增强了系统对微弱信号的测量灵敏度，同时也降低了能源消耗，提升了系统的实际应用价值。
图1 （a）激光自混合干涉绝对测距系统原理图；（b）自混合干涉信号频谱图
2. 双向啁啾抗干扰测距设计
为了提升系统在复杂环境中的稳定性和抗干扰能力，研究团队设计了一种支持大范围不跳模调谐的自混合双向啁啾激光器结构，实现了对环境扰动引起的多普勒频移的实时补偿，增强了系统的动态响应能力。此外，通过采用准共路探测设计，系统的抗干扰性能得到了进一步的增强，这不仅确保了测量数据的精确性，也提高了结果的可靠性。这种双向啁啾自混合设计，不仅提升了测距精度，也显著增强了系统对环境变化的适应性。
图2 双向啁啾自混合激光雷达系统示意图
3. 抗干扰成像
结合机械扫描振镜，可以实现光束的二维扫描，进而完成三维成像。研究团队的实验结果表明，即使在环境波动的条件下，该系统也能准确重建非合作目标的形貌。这些成果不仅验证了所提出技术的有效性，也展示了其在实际应用中的广阔前景。
图3 （a）抗干扰成像实验示意图；（b）数据采集与触发示意图；（c-i）粗糙铜币实物图；（c-ii）静态成像结果；扰动环境下不同方法下的成像结果：（c-iii）未补偿；（c-iv）传统补偿方法；（c-v）所提出的补偿方法
总结与展望
本研究成功开发了一种基于双向啁啾自混合干涉结构的高灵敏度激光雷达，以极低的探针光功率实现了非合作目标的高精度测距与三维成像，解决了激光雷达方案中低功耗、抗干扰与高精度难以兼顾的问题。这一创新成果为开放环境下的高精度非合作目标三维成像提供了新的解决方案，在精密制造、无人驾驶、航天航空等领域的具有极大的应用潜力。
通讯作者简介
谈宜东，清华大学精密仪器系长聘教授，教育部长江学者、创新团队负责人，英国皇家学会“牛顿高级学者”，基金委优青。主要从事激光技术和精密测量方面的教学科研工作。作为负责人承担国家和省部级项目60余项。发表SCI论文100余篇，授权发明专利30余项，做国际会议Keynote/Plenary/Invited报告60余次。先后获日内瓦金奖，期刊主编推荐奖，省部级科技奖励6项（一等奖2项）。担任多个学会和协会的副会长，副主任和常务理事等。担任《中国激光》《红外与激光工程》《激光与光电子学进展》等8个期刊的青年编委。
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