用戶名: 密碼: 驗(yàn)證碼:

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

摘要: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)國家提速降費(fèi)號(hào)召的大背景下,有助于運(yùn)營商尋找新的業(yè)務(wù)方向,開拓新的利潤增長點(diǎn)。

  ICC訊 據(jù)通信世界報(bào)道,在中國聯(lián)通聯(lián)合國內(nèi)外多家Tier1運(yùn)營商和設(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)諧光模塊的波長自適應(yīng)單纖雙向接入波分系統(tǒng),具備波長自適應(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)國家提速降費(fèi)號(hào)召的大背景下,有助于運(yùn)營商尋找新的業(yè)務(wù)方向,開拓新的利潤增長點(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)過耦合器1后分成兩路光信號(hào),一路經(jīng)過耦合器2和前端鏡頭發(fā)射,另一路經(jīng)過耦合器3到達(dá)探測器。反射回的激光信號(hào)依次經(jīng)過鏡頭、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(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)過程所用時(shí)間相等為T/2。出射光經(jīng)過空間飛行后,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精度優(yōu)勢。

圖2 FMCW測量原理頻率—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化結(jié)構(gòu),可以將G.metro場景中使用的光源稍作修改投入使用,是運(yùn)營商產(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,中國聯(lián)通研究院聯(lián)合中科院半導(dǎo)體所、海信和長飛進(jìn)行了第一階段的測試實(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變?yōu)榭臻g拓?fù)洌褂冒l(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。第二階段擬開展基于FMCW原理的原型機(jī)的組裝和道路實(shí)測功能驗(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無線空口(PC5和Uu)技術(shù)和5G組網(wǎng)架構(gòu)下的無線通信系統(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亦可和路測設(shè)備進(jìn)行直接數(shù)據(jù)交換。其通信過程由激光雷達(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)簡化示意圖

  眾所周知,車聯(lián)網(wǎng)的距離基本處于視距,在無遮擋情況下,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。目前中國聯(lián)通研究院已經(jīng)開始推動(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)值和出色的市場前景,是5G通信的一個(gè)重要補(bǔ)充手段。經(jīng)過前期的一系列測試,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


【加入收藏夾】  【推薦給好友】 
1、凡本網(wǎng)注明“來源:訊石光通訊網(wǎng)”及標(biāo)有原創(chuàng)的所有作品,版權(quán)均屬于訊石光通訊網(wǎng)。未經(jīng)允許禁止轉(zhuǎn)載、摘編及鏡像,違者必究。對(duì)于經(jīng)過授權(quán)可以轉(zhuǎn)載我方內(nèi)容的單位,也必須保持轉(zhuǎn)載文章、圖像、音視頻的完整性,并完整標(biāo)注作者信息和本站來源。
2、免責(zé)聲明,凡本網(wǎng)注明“來源:XXX(非訊石光通訊網(wǎng))”的作品,均為轉(zhuǎn)載自其它媒體,轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。因可能存在第三方轉(zhuǎn)載無法確定原網(wǎng)地址,若作品內(nèi)容、版權(quán)爭議和其它問題,請(qǐng)聯(lián)系本網(wǎng),將第一時(shí)間刪除。
聯(lián)系方式:訊石光通訊網(wǎng)新聞中心 電話:0755-82960080-168   Right