面向低成本FMCW激光雷达的双重采样架构：解决发射机系统非线性退化问题

《IEEE Photonics Journal》：Double Resampling Architecture for Distance Measurement in FMCW LiDAR with Degraded Transmitter Systems

本文针对FMCW激光雷达中发射系统非线性导致的测距精度下降问题，提出了一种结合预失真与后处理的双重采样校正架构。研究团队将非线性分类为静态与残差分量，采用基于希尔伯特变换的统一算法框架，在自由空间条件下实现了0.18 mm的标准偏差和0.17%的误差率。该方法显著提升了低成本/老化硬件的适应性，为FMCW激光雷达商业化提供了关键技术支撑。

　　

在自动驾驶和工业自动化飞速发展的今天，高精度三维环境感知已成为智能系统的核心需求。光探测与测距技术作为实现这一目标的关键传感手段，其性能直接决定了系统对环境理解的深度与精度。在众多技术路线中，基于频率调制连续波原理的激光雷达系统因其独特的优势备受关注：它不仅能够同时测量目标距离和速度，还具有优异的抗干扰能力和信噪比表现。然而，要实现这些理论优势，一个基本前提是激光器必须产生高度线性的频率啁啾信号——这正是当前FMCW激光雷达面临的核心挑战。

传统研究大多聚焦于激光二极管本身的非线性特性，但实际情况更为复杂。整个发射链路的性能退化——包括驱动电流噪声、温漂效应、元件老化等因素——都会对频率线性度产生显著影响。当使用低成本或老化硬件时，这些问题尤为突出，严重制约了FMCW激光雷达的商业化应用。面对这一困境，韩国西江大学的研究团队在《IEEE Photonics Journal》上提出了一种创新性的解决方案：双重采样架构，通过系统级的协同校正策略，实现了在退化发射系统下的高精度测距。

研究团队采用了基于希尔伯特变换的统一算法框架，分别针对静态非线性和残差非线性进行校正。预失真阶段通过重构采样点生成优化波形，后处理阶段则利用辅助干涉仪信号进行实时重采样。实验采用1550纳米分布式反馈激光器，调制频率40千赫兹，啁啾带宽25吉赫兹，在自由空间条件下对0.1-3米范围内的目标进行系统验证。

系统架构与工作原理

研究团队构建了完整的FMCW激光雷达系统，其中关键创新在于引入了辅助干涉仪作为参考信号源。该干涉仪产生2.1米光纤延迟，对应约3米自由空间光程差，为实时校正提供基准。发射端采用预失真波形进行初始线性化，接收端则通过希尔伯特变换提取瞬时相位信息，实现信号重采样。这种分工明确的架构既保证了校正效果，又控制了算法复杂度。

非线性分类与量化分析

研究人员创新性地将发射系统非线性划分为静态分量和残差分量。静态非线性来源于激光器既有的电流-频率特性，可通过预表征进行补偿；而残差非线性则来自温度漂移、电流噪声等动态因素，需通过实时校正消除。量化分析显示，未校正系统的非线性指标达到45×10^-3，显著高于对比文献的0.235-7.41×10^-3，证实了研究对象的典型退化特征。

双重校正效果验证

通过对比单一预失真与双重校正的性能差异，研究证实了组合方法的必要性。在±0.3°C温度波动下，单一预失真方法的误差率升至2.24%，而双重校正保持0.19%的稳定精度。频谱分析显示，校正后信号的全宽半最大值稳定在6.28毫米，与理论值6.25毫米高度吻合，证明线性化效果显著。

测距性能与精度评估

在0.1-3米测量范围内，系统表现出良好的线性响应，斜率约为13.34兆赫兹/米。距离分辨率通过全宽半最大值量化，在1米处达到6.28毫米。误差分析显示，标准偏差随距离增加而线性增长，但相对误差率保持在0.15%左右，证明系统具备稳定的比例精度。

微位移测量能力

为验证系统精细感知能力，研究人员使用精密导轨平台进行50-55厘米范围的5毫米步进测试。测量值与设定值高度吻合，证明系统具备亚厘米级位移分辨能力。这一结果对于需要精确姿态控制的机器人应用具有重要意义。

系统鲁棒性分析

针对退化系统特有的线宽展宽问题（从初始100千赫兹增至2.1兆赫兹），研究团队通过相干长度理论分析了系统极限。计算表明，即使在线宽恶化情况下，3米测量距离仍满足相干性要求，证明方法对硬件退化的容忍度。

本研究通过系统级视角重新定义了FMCW激光雷达的非线性问题，提出的双重采样架构在算法复杂度和性能间取得了良好平衡。实验结果表明，该方法不仅能有效补偿硬件退化引入的非线性，还显著提升了系统的温度稳定性和长期可靠性。相较于传统单一校正策略，双重校正将有效感兴趣区域从80%扩展至85%，最大化利用了信号资源。

特别值得关注的是，该方法对激光器类型具有普适性，尤其适用于对外界扰动敏感的外腔激光器系统。虽然当前实现基于计算机处理，但通过硬件描述语言移植可满足实时应用需求，为高级驾驶辅助系统等场景提供了技术储备。这项研究的意义不仅在于解决低成本FMCW激光雷达的实际应用瓶颈，更为高精度光电测量系统提供了一种可扩展的校正范式，有望推动整个行业向更可靠、更经济的方向发展。