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APP | 南京航空航天大学微波光子技术国家级重点实验室:突破带宽与相位噪声限制的调频连续波激光测距

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调频连续波激光测距技术凭借其高灵敏度、抗干扰、同时测距测速的优点，广泛应用于激光雷达、光频域反射测量与时间同步等领域。调频连续波激光测距系统通过发射与接收一束频率随时间线性变化的连续波信号，与本地参考信号干涉产生拍频信号，测量拍频信号的频率获得目标距离与速度信息。然而，传统测距精度受限于两大关键因素：①调频带宽：测距分辨率与线性调频信号的调频带宽成正比，一般来讲为c/2B，式中c为真空中光速，B为调频带宽，因此在调频带宽固定的情况下测量分辨率难以进一步提升；②相位噪声：由于采用相干探测体制，激光器本身的相位噪声会引起探测信号与参考信号之间的退相干，进而导致拍频信号的频谱展宽，恶化频率的测量，因此相位噪声将探测距离限制在激光器的相干长度之内。

研究团队提出了一种基于时域最大似然估计的拍频信号频率估计算法，能够同时突破调频带宽与相位噪声的限制。该方法将激光器的相位噪声建模为维纳过程，建立观测拍频信号相位条件下拍频频率的似然函数，由最大似然估计获得频率估计值，从而在算法层面上抑制相位噪声并获得高精度距离测量。实验结果表明，相较于离散傅里叶变换，在相干长度内，测量分辨率提升5倍；相干长度外，分辨率与精度分别提升10倍与4.5倍。同时，还基于该系统进行了静止物体与运动物体的三维测距测速。研究成果以“Frequency-modulated continuous-wave laser ranging beyond the limits of bandwidth and phase noise”为题发表于APL Photonics，徐忠扬副教授为通信作者，博士生孙修远为第一作者。

图1. 不同距离下的测量结果。

图2. 不同信号获取时间下的测量结果。

图3. 三维成像图。

团队介绍

微波光子技术国家级实验室（天元实验室）是依托南京航空航天大学建设的国家级重点实验室，其中微波光子技术团队是国家级科技创新团队、中央高校优秀青年团队、江苏省高校优秀科技创新团队。微波光子学融合了微波和光子两大技术，克服了传统微波系统在处理速度和传输带宽等方面的严重电子瓶颈，具有损耗低、重量轻、尺寸小、带宽大、抗电磁干扰和频率响应平坦等诸多优点。微波光子技术团队研究方向涵盖：微波光子测量技术、微波光子智能处理技术、微波光子集成芯片技术、微波光子雷达技术、微波光子无线通信技术等。