G.metro可調(diào)諧激光技術(shù)在激光雷達(dá)和車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用與實(shí)踐

  ICC訊 據(jù)通信世界報(bào)道，在中國(guó)聯(lián)通聯(lián)合國(guó)內(nèi)外多家Tier1運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商所倡導(dǎo)的G.metro標(biāo)準(zhǔn)化研究工作中，采用了基于低成本可調(diào)諧光模塊的波長(zhǎng)自適應(yīng)單纖雙向接入波分系統(tǒng)，具備波長(zhǎng)自適應(yīng)配置、海量尾端設(shè)備zero-touch、超低時(shí)延、高效透明傳輸和低功耗等特點(diǎn)，并于2018年2月在ITU-T SG15全會(huì)上正式通過(guò)并發(fā)布，編號(hào)為ITU-T G.698.4。

  低成本可調(diào)諧激光技術(shù)是一種基于DFB激光器的流控或溫控技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)C波段ITU標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)的寬帶、快速可調(diào)諧功能，其應(yīng)用領(lǐng)域可擴(kuò)展至車聯(lián)網(wǎng)(V2X)和激光雷達(dá)(Lidar)方向，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)雙向打通和設(shè)備共用的局面。在響應(yīng)國(guó)家提速降費(fèi)號(hào)召的大背景下，有助于運(yùn)營(yíng)商尋找新的業(yè)務(wù)方向，開(kāi)拓新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。

  調(diào)頻連續(xù)波FMCW技術(shù)原理

  顧名思義，調(diào)頻連續(xù)波是一種將激光器的輸出頻率隨時(shí)間線性調(diào)制的方法，其功能實(shí)現(xiàn)的一般性結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。激光源發(fā)射的激光經(jīng)過(guò)耦合器1后分成兩路光信號(hào)，一路經(jīng)過(guò)耦合器2和前端鏡頭發(fā)射，另一路經(jīng)過(guò)耦合器3到達(dá)探測(cè)器。反射回的激光信號(hào)依次經(jīng)過(guò)鏡頭、耦合器2和耦合器3后，進(jìn)入平衡探測(cè)器和第一路本地光進(jìn)行混頻，利用數(shù)字處理電路將混頻后的電信號(hào)進(jìn)行處理，得到對(duì)面物體的距離和速度信息。這種原理和相干光通信機(jī)制十分相似，具備抗背景噪聲干擾、發(fā)射功率低、人眼安全和探測(cè)精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

圖1 FMCW激光雷達(dá)原理框圖

  根據(jù)這種原理，作出發(fā)射和返回激光的頻率—時(shí)間曲線圖，如圖2所示，縱軸為頻率，橫軸為時(shí)間。在圖2上排圖中，在一個(gè)發(fā)射周期T內(nèi)，激光器輸出連續(xù)線性調(diào)制的激光，從逐漸增加至最大，后由最大減小至，兩個(gè)過(guò)程所用時(shí)間相等為T(mén)/2。出射光經(jīng)過(guò)空間飛行后，比直接進(jìn)入耦合器3的本地光產(chǎn)生了的時(shí)間差，于是在同一時(shí)間產(chǎn)生了中頻差頻，如圖2下排圖所示。假設(shè)雷達(dá)和物體的距離為R，掃頻寬度為ΔF，則由此推導(dǎo)可知距離R=cT/4ΔF，其中c為真空中光速。如果物體發(fā)生移動(dòng)，則會(huì)在差頻譜中產(chǎn)生多普勒頻移，此時(shí)，上升沿和下降沿的中頻分別為和，則物體的距離R1=(+)R/2，移動(dòng)速度v=c(-)/4。因此，我們只需要在數(shù)字電路中，依次提取，和，即可實(shí)時(shí)測(cè)算物體的距離和速度。進(jìn)而從推導(dǎo)公式中可知，距離精度，即距離分辨率只與調(diào)制帶寬ΔF有關(guān)，因此對(duì)于低成本寬帶可調(diào)諧通信用激光器，使用此方法具備天然的探測(cè)精度優(yōu)勢(shì)。

圖2 FMCW測(cè)量原理頻率—時(shí)間曲線圖

  低成本可調(diào)諧激光技術(shù)在激光雷達(dá)方向的應(yīng)用與實(shí)踐

  目前，激光雷達(dá)普遍存在于L3級(jí)別以上的自動(dòng)駕駛場(chǎng)景中，能夠輔助駕駛員觀察路面情況并采取有效決策。配合視頻攝像頭、毫米波雷達(dá)和超聲波雷達(dá)，這種組合傳感器為車輛自動(dòng)駕駛和車聯(lián)網(wǎng)提供了高效的安全保障。然而目前頭部激光雷達(dá)廠商大多采用成本十分昂貴(單個(gè)雷達(dá)在十萬(wàn)元左右)且穩(wěn)定性(機(jī)械掃描)、安全性(905nm高功率脈沖激光)均較差的脈沖式(ToF)激光雷達(dá)技術(shù)路線，而成本低、安全性好、穩(wěn)定性高的調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)制式激光雷達(dá)，則采用了傳統(tǒng)的C波段和可調(diào)諧工作模式，匹配相干光通信的部分簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以將G.metro場(chǎng)景中使用的光源稍作修改投入使用，是運(yùn)營(yíng)商產(chǎn)業(yè)鏈可以直接打通并提前布局的業(yè)務(wù)創(chuàng)新點(diǎn)。

  為了驗(yàn)證FMCW原理的正確性和基于低成本可調(diào)光模塊的可用性，中國(guó)聯(lián)通研究院聯(lián)合中科院半導(dǎo)體所、海信和長(zhǎng)飛進(jìn)行了第一階段的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示，圖中可調(diào)諧光源采用基于G.metro標(biāo)準(zhǔn)的光模塊進(jìn)行改進(jìn)開(kāi)發(fā)，優(yōu)化了調(diào)諧速率，可實(shí)現(xiàn)太赫茲(THz)每秒的調(diào)制速率，遠(yuǎn)高于波分系統(tǒng)中秒級(jí)波長(zhǎng)切換速率，并且在所有現(xiàn)存FMCW光源調(diào)制速率報(bào)道中處于一流水準(zhǔn)，提高調(diào)制速率是提高探測(cè)精度的重要指標(biāo)。

  在一期實(shí)驗(yàn)中，采用光纖延遲線作為模擬空間光路的延遲辦法，根據(jù)相干原理設(shè)計(jì)探測(cè)距離，在接收端采用平衡探測(cè)器，將本地光和延遲光作外差輸出，通過(guò)示波器捕捉拍頻正弦信號(hào)，轉(zhuǎn)化為距離和速度信息。實(shí)驗(yàn)中分別采用1米、20米和5千米光纖進(jìn)行模擬，通過(guò)示波器的正弦波周期反推距離，證明了FMCW原理的正確性和可調(diào)光源的可用性。

圖3 激光器驗(yàn)證光路圖

  在二期實(shí)驗(yàn)中，將延遲光纖光路打開(kāi)變?yōu)榭臻g拓?fù)?，使用發(fā)射準(zhǔn)直器和接收透鏡組，并加以EDFA光放大器提高空間輸出光功率。實(shí)驗(yàn)原理圖如圖4所示，EDFA為激光雷達(dá)專用開(kāi)發(fā)的多通道放大器，輸出功率可調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)瓦級(jí)高功率輸出，覆蓋全C波段。在藍(lán)色箭頭處分別測(cè)量光功率，發(fā)現(xiàn)輸出功率在EDFA后為31.5dBm時(shí)，接收透鏡組后測(cè)量可接收功率高達(dá)25dBm，耦合進(jìn)光譜儀后，峰值光功率為—56.7dBm，消光比大于20dB，充分證明可以從示波器讀取該頻率信息。

圖4 EDFA和透鏡組功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)拓?fù)?

  至此，基于ITU-T G.698.4標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)型可調(diào)諧低成本光模塊的可用性和FMCW原理的正確性已基本驗(yàn)證完成。第二階段擬開(kāi)展基于FMCW原理的原型機(jī)的組裝和道路實(shí)測(cè)功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

  基于FMCW制式的激光雷達(dá)在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用和探索

  談到車聯(lián)網(wǎng)(V2X)或智能網(wǎng)聯(lián)汽車時(shí)，首先想到的是基于5G無(wú)線空口(PC5和Uu)技術(shù)和5G組網(wǎng)架構(gòu)下的無(wú)線通信系統(tǒng)，即基于蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的C-V2X。結(jié)合切片和MEC等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延和海量連接車輛與車輛(V2V)、車輛與設(shè)備(V2I)、車輛與行人(V2P)以及車輛與網(wǎng)絡(luò)(V2N)的多場(chǎng)景端到端通信。在超大帶寬通信需求下，可以使用激光雷達(dá)輔助空間光通信的手段，實(shí)現(xiàn)Tbit量級(jí)高速率信息處理速度。如圖5所示，車輛A&B可以實(shí)現(xiàn)直接通信，車輛A&B亦可和路測(cè)設(shè)備進(jìn)行直接數(shù)據(jù)交換。其通信過(guò)程由激光雷達(dá)進(jìn)行定位輔助，借助可調(diào)諧光模塊，收發(fā)不同波長(zhǎng)的激光，區(qū)分通信和雷達(dá)掃描信號(hào)，將實(shí)時(shí)掃描的位置信息反饋給光學(xué)天線，進(jìn)行時(shí)分復(fù)用的通信和掃描。

圖5 基于激光雷達(dá)的車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)簡(jiǎn)化示意圖

  眾所周知，車聯(lián)網(wǎng)的距離基本處于視距，在無(wú)遮擋情況下，可以利用光通信的超大帶寬滿足車輛臨時(shí)數(shù)據(jù)需求，例如視頻、下載或車內(nèi)VR請(qǐng)求。首先，利用激光空間傳輸可以有效避免頻譜重疊和空間電磁干擾，在視距下是一種很好的替代性選擇;其次，基于低成本波分前傳網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)資源搬遷利用，避免開(kāi)通路側(cè)5G基站，節(jié)約投資和建設(shè)成本，以光學(xué)信號(hào)的超低時(shí)延滿足客戶的通信需求。目前中國(guó)聯(lián)通研究院已經(jīng)開(kāi)始推動(dòng)產(chǎn)業(yè)布局和生態(tài)的形成，以期與5G車聯(lián)網(wǎng)形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的局面。

  綜上所述，基于G.metro的低成本可調(diào)諧激光技術(shù)在激光雷達(dá)和車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值和出色的市場(chǎng)前景，是5G通信的一個(gè)重要補(bǔ)充手段。經(jīng)過(guò)前期的一系列測(cè)試，已基本確定低成本可調(diào)諧光模塊的可用性與原理的正確性，在激光雷達(dá)輔助車聯(lián)網(wǎng)通信的專利布局中，優(yōu)先搶占賽道，并且已經(jīng)具備了核心技術(shù)的孵化能力，為運(yùn)營(yíng)商數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的業(yè)務(wù)發(fā)展方向提供了有力參考依據(jù)。

  作者：魏步征 張賀 王光全 沈世奎 趙春旭