G.metro可調諧激光技術(shù)在激光雷達和車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的應用與實(shí)踐

  ICC訊 據通信世界報道，在中國聯(lián)通聯(lián)合國內外多家Tier1運營(yíng)商和設備商所倡導的G.metro標準化研究工作中，采用了基于低成本可調諧光模塊的波長(cháng)自適應單纖雙向接入波分系統，具備波長(cháng)自適應配置、海量尾端設備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，編號為ITU-T G.698.4。

  低成本可調諧激光技術(shù)是一種基于DFB激光器的流控或溫控技術(shù)，可實(shí)現C波段ITU標準波長(cháng)的寬帶、快速可調諧功能，其應用領(lǐng)域可擴展至車(chē)聯(lián)網(wǎng)(V2X)和激光雷達(Lidar)方向，實(shí)現產(chǎn)業(yè)雙向打通和設備共用的局面。在響應國家提速降費號召的大背景下，有助于運營(yíng)商尋找新的業(yè)務(wù)方向，開(kāi)拓新的利潤增長(cháng)點(diǎn)。

  調頻連續波FMCW技術(shù)原理

  顧名思義，調頻連續波是一種將激光器的輸出頻率隨時(shí)間線(xiàn)性調制的方法，其功能實(shí)現的一般性結構框圖如圖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，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到達探測器。反射回的激光信號依次經(jīng)過(guò)鏡頭、耦合器2和耦合器3后，進(jìn)入平衡探測器和第一路本地光進(jìn)行混頻，利用數字處理電路將混頻后的電信號進(jìn)行處理，得到對面物體的距離和速度信息。這種原理和相干光通信機制十分相似，具備抗背景噪聲干擾、發(fā)射功率低、人眼安全和探測精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

圖1 FMCW激光雷達原理框圖

  根據這種原理，作出發(fā)射和返回激光的頻率—時(shí)間曲線(xiàn)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，激光器輸出連續線(xiàn)性調制的激光，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。假設雷達和物體的距離為R，掃頻寬度為ΔF，則由此推導可知距離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，我們只需要在數字電路中，依次提取，和，即可實(shí)時(shí)測算物體的距離和速度。進(jìn)而從推導公式中可知，距離精度，即距離分辨率只與調制帶寬ΔF有關(guān)，因此對于低成本寬帶可調諧通信用激光器，使用此方法具備天然的探測精度優(yōu)勢。

圖2 FMCW測量原理頻率—時(shí)間曲線(xiàn)圖

  低成本可調諧激光技術(shù)在激光雷達方向的應用與實(shí)踐

  目前，激光雷達普遍存在于L3級別以上的自動(dòng)駕駛場(chǎng)景中，能夠輔助駕駛員觀(guān)察路面情況并采取有效決策。配合視頻攝像頭、毫米波雷達和超聲波雷達，這種組合傳感器為車(chē)輛自動(dòng)駕駛和車(chē)聯(lián)網(wǎng)提供了高效的安全保障。然而目前頭部激光雷達廠(chǎng)商大多采用成本十分昂貴(單個(gè)雷達在十萬(wàn)元左右)且穩定性(機械掃描)、安全性(905nm高功率脈沖激光)均較差的脈沖式(ToF)激光雷達技術(shù)路線(xiàn)，而成本低、安全性好、穩定性高的調頻連續波(FMCW)制式激光雷達，則采用了傳統的C波段和可調諧工作模式，匹配相干光通信的部分簡(jiǎn)化結構，可以將G.metro場(chǎng)景中使用的光源稍作修改投入使用，是運營(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)。

  為了驗證FMCW原理的正確性和基于低成本可調光模塊的可用性，中國聯(lián)通研究院聯(lián)合中科院半導體所、海信和長(cháng)飛進(jìn)行了第一階段的測試實(shí)驗。實(shí)驗原理如圖3所示，圖中可調諧光源采用基于G.metro標準的光模塊進(jìn)行改進(jìn)開(kāi)發(fā)，優(yōu)化了調諧速率，可實(shí)現太赫茲(THz)每秒的調制速率，遠高于波分系統中秒級波長(cháng)切換速率，并且在所有現存FMCW光源調制速率報道中處于一流水準，提高調制速率是提高探測精度的重要指標。

  在一期實(shí)驗中，采用光纖延遲線(xiàn)作為模擬空間光路的延遲辦法，根據相干原理設計探測距離，在接收端采用平衡探測器，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，轉化為距離和速度信息。實(shí)驗中分別采用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光源的可用性。

圖3 激光器驗證光路圖

  在二期實(shí)驗中，將延遲光纖光路打開(kāi)變?yōu)榭臻g拓撲，使用發(fā)射準直器和接收透鏡組，并加以EDFA光放大器提高空間輸出光功率。實(shí)驗原理圖如圖4所示，EDFA為激光雷達專(zhuān)用開(kāi)發(fā)的多通道放大器，輸出功率可調，能夠實(shí)現瓦級高功率輸出，覆蓋全C波段。在藍色箭頭處分別測量光功率，發(fā)現輸出功率在EDFA后為31.5dBm時(shí)，接收透鏡組后測量可接收功率高達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和透鏡組功能驗證實(shí)驗拓撲

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

  基于FMCW制式的激光雷達在車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的應用和探索

  談到車(chē)聯(lián)網(wǎng)(V2X)或智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)時(shí)，首先想到的是基于5G無(wú)線(xiàn)空口(PC5和Uu)技術(shù)和5G組網(wǎng)架構下的無(wú)線(xiàn)通信系統，即基于蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的C-V2X。結合切片和MEC等技術(shù)，可以實(shí)現超低時(shí)延和海量連接車(chē)輛與車(chē)輛(V2V)、車(chē)輛與設備(V2I)、車(chē)輛與行人(V2P)以及車(chē)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，可以使用激光雷達輔助空間光通信的手段，實(shí)現Tbit量級高速率信息處理速度。如圖5所示，車(chē)輛A&B可以實(shí)現直接通信，車(chē)輛A&B亦可和路測設備進(jìn)行直接數據交換。其通信過(guò)程由激光雷達進(jìn)行定位輔助，借助可調諧光模塊，收發(fā)不同波長(cháng)的激光，區分通信和雷達掃描信號，將實(shí)時(shí)掃描的位置信息反饋給光學(xué)天線(xiàn)，進(jìn)行時(shí)分復用的通信和掃描。

圖5 基于激光雷達的車(chē)聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)簡(jiǎn)化示意圖

  眾所周知，車(chē)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(mǎn)足車(chē)輛臨時(shí)數據需求，例如視頻、下載或車(chē)內VR請求。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)現資源搬遷利用，避免開(kāi)通路側5G基站，節約投資和建設成本，以光學(xué)信號的超低時(shí)延滿(mǎn)足客戶(hù)的通信需求。目前中國聯(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(chē)聯(lián)網(wǎng)形成優(yōu)勢互補的局面。

  綜上所述，基于G.metro的低成本可調諧激光技術(shù)在激光雷達和車(chē)聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有潛在的應用價(jià)值和出色的市場(chǎng)前景，是5G通信的一個(gè)重要補充手段。經(jīng)過(guò)前期的一系列測試，已基本確定低成本可調諧光模塊的可用性與原理的正確性，在激光雷達輔助車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信的專(zhuān)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，為運營(yíng)商數字化轉型中的業(yè)務(wù)發(fā)展方向提供了有力參考依據。

  作者：魏步征 張賀 王光全 沈世奎 趙春旭