基于FMCW技术的四维导航激光雷达

传统激光雷达采用脉冲飞行时间方式对目标精确测距，再利用2维扫面实现3维点云成像，该技术源于上世纪30-50年代雷达领域的“脉冲调制测距”技术。由于“脉冲调制测距”技术原理简单、探测方式单一，因此工作过程中受太阳背景光和外部其他激光光源干扰严重，不适于在复杂空天背景及有限空间内大规模使用。

中国科学院空天信息研究院的科研人员采用伪随机频率调制技术，研制出基于相干探测体制的FMCW激光雷达。伪随机FMCW激光雷达采用连续波工作方式，集合先进的雷达信号处理手段，在实现三维点云成像的同时，容易获得运动目标与雷达间的相对运动速率（多普勒速度），从而实现四维成像。伪随机FMCW激光雷达相比传统激光雷达的主要优势是：

1）利用伪随机FMCW技术，使激光雷达真正做大“一机一信道”。类似于蜂窝通讯方式，多人同时通话时信号不会相互干扰；

2）系统内置了“强大”的本振激光，即使太阳直射激光雷达，环境光对雷达的干扰也小于0.01%；

3）具有良好的多维度探测能力，伪随机FMCW激光雷达可以同时获得成像目标的三维点云信息和多普勒信息，更容易的实现目标识别；

4）通过基于回波信号的脉冲压缩技术对激光回波数据进行处理，相比“脉冲测距”方式所需激光峰值功率更低，更容易满足人眼安全的使用要求；

5）伪随机FMCW激光雷达采用全光纤化和模块化设计方案，激光雷达配置灵活，易于与载荷间相互集成。

通过长时间的技术攻关，中国科学院空天信息研究院的科研人员突破了FMCW激光雷达中所面临的复杂关键技术，通过独特的FMCW激光调制、高信噪比脉冲压缩、激光散斑补偿技术的应用，获得了清晰的四维点云激光图像。所获得的成像成果如图1所示，下一步研究人员将致力于研制探测距离更远、成像能力能强的伪随机FMCW激光雷达，以满足不同领域的应用需求。

（a）伪随机FMCW激光雷达

 

（b）成像场景

 

（c）三维点云图像

 

（d）成像目标在地面中的倒影

 

（e）人物的多普勒图像