基于混沌光梳的并行抗干扰激光雷达测距技术

图1：基于混沌光梳的并行抗干扰激光雷达系统概念图

具备宽视野和高分辨率成像的并行激光雷达对于高等级自动驾驶至关重要。

传统多线激光雷达在高密度场景下，通道间串扰和多设备间干扰的概率会显著增加，这就需要对每一路发射信号进行加密处理以克服通道拥挤。现有的加密手段是对每一路信道进行伪随机调制，这会导致硬件成本和复杂性的显著上升，且伪随机调制的可预知性无法抵抗恶意攻击，也会对自动驾驶的安全性造成极大的影响。

宽带混沌信号由于其真随机特性，是解决信道拥堵的一种理想信号选择。但是现有的混沌光源不易实现并行化拓展，很难满足激光雷达应用对宽视场、快扫描、抗干扰、低成本方面的发展需求。

如图2a所示，当前主流的两种激光雷达都面临着时频拥堵问题：传统的多线激光雷达(Time of flight, TOF) 使用脉冲光信号进行探测，容易受到相邻通道或者外部脉冲源信号的干扰，造成时域堵塞问题。调频连续波（Frequency modulated continuous wave, FMCW）激光雷达虽然能够抵抗环境光的影响，但在相同体制激光雷达照射下，仍然会受到相同频率调制信号的互串扰影响，造成频域堵塞问题。

该工作所报道的并行激光雷达系统架构如图2c所示，多波长光源经过放大后分为两路，一路作为探测光经过片上光谱衍射系统发射到自由空间不同的方向角上，另一路通过解复用输入探测器阵列作为本地参考。探测光经目标表面散射后的回返光被探测器吸收进行光电转换，最终在回返信号与各通道对应的参考信号进行互相关计算，提取相关峰时间计算探测点到发端的相对距离。该系统具有良好的抗干扰能力，所使用的光源具有随机调制特性，参考光只会与自己发射的信号光产生相关峰，在其他体制激光雷达信号（如光脉冲、调频连续波、伪随机调制信号）的干扰下，都不会影响相关检测的结果。

事实上，要想充分发挥多波长源在激光雷达并行探测方面的优势，必须解决并行源的可重复产生、收发系统的简化和多通道间互串扰的抑制这三个主要问题。

首先，该系统中多波长源产生的功率阈值低，对频率抖动鲁棒性好。混沌光梳是在反常色散波导微腔中产生亮孤子的前置状态，其各通道光的幅度、相位具有随机抖动的特性（如图3c），能够实现并行随机信号产生，无需外部调制，是一种天然的物理熵源。如图3e-g所示，实验中通过自相关测试，得到随机调制信号的混沌带宽能够达到7 GHz，且调制不稳定状态在18 GHz的激光-谐振腔失谐范围内展现出了稳定的随机特性，对泵浦源的频率抖动具有良好的鲁棒性。同时，得益于高非线性系数的III-V族材料，产生混沌光梳所需的阈值功率相比其他材料低1-2个数量级，能够使用片上分布反馈式激光器作为泵浦源进行激发，可实现混沌光梳光源的单片集成。

图3：微腔光梳混沌状态光学特性表征(a)非线性光芯片；(b)混沌光梳光谱分布；(c)单通道的时域随机调制信号；(d)单通道自相关峰；(e)单通道混沌带宽；(f)不同材料平台产生混沌光梳的自相关峰半高宽与泵浦功率的关系；(g)高非线性III-V材料产生混沌光梳的自相关峰半高宽与激光器-微腔失谐量间的关系

该系统架构的简易性体现在发端和收端两方面：首先发端，高非线性系数的III-V族材料平台可保证片上激光器泵浦集成微腔后直接产生多通道混沌激光，无需对每路通道都安装调制器。在收端，由于各通道间具有良好的正交性，多路信号即使在混叠后被一个探测器接收也能被各通道的参考信号恢复，这样既能抑制相邻通道间串扰，也能减轻接收系统的阵列化负担，进而释放并行探测的优势。

该系统可对多种体制的激光雷达信号实现抗干扰，不同体制信号影响下的抗噪功率抑制比（Interference signal ratio, ISR）进行了测试，实测可得在3 dB阈值判据和12.5微秒积分时间下，单路信号的功率动态范围接近60 dB，对调频连续波信号的抗噪功率抑制比接近30 dB，对自身随机调制信号的抗噪功率抑制比可达22 dB，展现出了良好的抗干扰能力。

图4：并行混沌激光雷达抗干扰能力验证 (a)动态范围测试；(b)调频连续波抗干扰测试；(c)自身随机调制信号抗干扰测试