G.metro可调谐激光技术在激光雷达和车联网产业的应用与实践

作者:魏步征 张贺 王光全 沈世奎 赵春旭 责任编辑:朱文凤 2021.01.13 15:59 来源:通信世界全媒体

通信世界网消息(CWW)在中国联通联合国内外多家Tier1运营商和设备商所倡导的G.metro标准化研究工作中,采用了基于低成本可调谐光模块的波长自适应单纤双向接入波分系统,具备波长自适应配置、海量尾端设备zero-touch、超低时延、高效透明传输和低功耗等特点,并于2018年2月在ITU-T SG15全会上正式通过并发布,编号为ITU-T G.698.4。

低成本可调谐激光技术是一种基于DFB激光器的流控或温控技术,可实现C波段ITU标准波长的宽带、快速可调谐功能,其应用领域可扩展至车联网(V2X)和激光雷达(Lidar)方向,实现产业双向打通和设备共用的局面。在响应国家提速降费号召的大背景下,有助于运营商寻找新的业务方向,开拓新的利润增长点。

调频连续波FMCW技术原理

顾名思义,调频连续波是一种将激光器的输出频率随时间线性调制的方法,其功能实现的一般性结构框图如图1所示。激光源发射的激光经过耦合器1后分成两路光信号,一路经过耦合器2和前端镜头发射,另一路经过耦合器3到达探测器。反射回的激光信号依次经过镜头、耦合器2和耦合器3后,进入平衡探测器和第一路本地光进行混频,利用数字处理电路将混频后的电信号进行处理,得到对面物体的距离和速度信息。这种原理和相干光通信机制十分相似,具备抗背景噪声干扰、发射功率低、人眼安全和探测精度高等诸多优点。

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图1  FMCW激光雷达原理框图

根据这种原理,作出发射和返回激光的频率—时间曲线图,如图2所示,纵轴为频率,横轴为时间。在图2上排图中,在一个发射周期T内,激光器输出连续线性调制的激光,从逐渐增加至最大,后由最大减小至,两个过程所用时间相等为T/2。出射光经过空间飞行后,比直接进入耦合器3的本地光产生了的时间差,于是在同一时间产生了中频差频,如图2下排图所示。假设雷达和物体的距离为R,扫频宽度为ΔF,则由此推导可知距离R=cT/4ΔF,其中c为真空中光速。如果物体发生移动,则会在差频谱中产生多普勒频移,此时,上升沿和下降沿的中频分别为,则物体的距离R1=(+)R/2,移动速度v=c(-)/4

因此,我们只需要在数字电路中,依次提取,即可实时测算物体的距离和速度。进而从推导公式中可知,距离精度,即距离分辨率只与调制带宽ΔF有关,因此对于低成本宽带可调谐通信用激光器,使用此方法具备天然的探测精度优势。

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图2  FMCW测量原理频率—时间曲线图

低成本可调谐激光技术在激光雷达方向的应用与实践

目前,激光雷达普遍存在于L3级别以上的自动驾驶场景中,能够辅助驾驶员观察路面情况并采取有效决策。配合视频摄像头、毫米波雷达和超声波雷达,这种组合传感器为车辆自动驾驶和车联网提供了高效的安全保障。然而目前头部激光雷达厂商大多采用成本十分昂贵(单个雷达在十万元左右)且稳定性(机械扫描)、安全性(905nm高功率脉冲激光)均较差的脉冲式(ToF)激光雷达技术路线,而成本低、安全性好、稳定性高的调频连续波(FMCW)制式激光雷达,则采用了传统的C波段和可调谐工作模式,匹配相干光通信的部分简化结构,可以将G.metro场景中使用的光源稍作修改投入使用,是运营商产业链可以直接打通并提前布局的业务创新点。

为了验证FMCW原理的正确性和基于低成本可调光模块的可用性,中国联通研究院联合中科院半导体所、海信和长飞进行了第一阶段的测试实验。实验原理如图3所示,图中可调谐光源采用基于G.metro标准的光模块进行改进开发,优化了调谐速率,可实现太赫兹(THz)每秒的调制速率,远高于波分系统中秒级波长切换速率,并且在所有现存FMCW光源调制速率报道中处于一流水准,提高调制速率是提高探测精度的重要指标。

在一期实验中,采用光纤延迟线作为模拟空间光路的延迟办法,根据相干原理设计探测距离,在接收端采用平衡探测器,将本地光和延迟光作外差输出,通过示波器捕捉拍频正弦信号,转化为距离和速度信息。实验中分别采用1米、20米和5千米光纤进行模拟,通过示波器的正弦波周期反推距离,证明了FMCW原理的正确性和可调光源的可用性。

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图3  激光器验证光路图

在二期实验中,将延迟光纤光路打开变为空间拓扑,使用发射准直器和接收透镜组,并加以EDFA光放大器提高空间输出光功率。实验原理图如图4所示,EDFA为激光雷达专用开发的多通道放大器,输出功率可调,能够实现瓦级高功率输出,覆盖全C波段。在蓝色箭头处分别测量光功率,发现输出功率在EDFA后为31.5dBm时,接收透镜组后测量可接收功率高达25dBm,耦合进光谱仪后,峰值光功率为—56.7dBm,消光比大于20dB,充分证明可以从示波器读取该频率信息。

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图4  EDFA和透镜组功能验证实验拓扑

至此,基于ITU-T G.698.4标准的改进型可调谐低成本光模块的可用性和FMCW原理的正确性已基本验证完成。第二阶段拟开展基于FMCW原理的原型机的组装和道路实测功能验证实验。

基于FMCW制式的激光雷达在车联网中的应用和探索

谈到车联网(V2X)或智能网联汽车时,首先想到的是基于5G无线空口(PC5和Uu)技术和5G组网架构下的无线通信系统,即基于蜂窝移动通信技术的C-V2X。结合切片和MEC等技术,可以实现超低时延和海量连接车辆与车辆(V2V)、车辆与设备(V2I)、车辆与行人(V2P)以及车辆与网络(V2N)的多场景端到端通信。在超大带宽通信需求下,可以使用激光雷达辅助空间光通信的手段,实现Tbit量级高速率信息处理速度。如图5所示,车辆A&B可以实现直接通信,车辆A&B亦可和路测设备进行直接数据交换。其通信过程由激光雷达进行定位辅助,借助可调谐光模块,收发不同波长的激光,区分通信和雷达扫描信号,将实时扫描的位置信息反馈给光学天线,进行时分复用的通信和扫描。

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图5 基于激光雷达的车联网组网简化示意图

众所周知,车联网的距离基本处于视距,在无遮挡情况下,可以利用光通信的超大带宽满足车辆临时数据需求,例如视频、下载或车内VR请求。首先,利用激光空间传输可以有效避免频谱重叠和空间电磁干扰,在视距下是一种很好的替代性选择;其次,基于低成本波分前传网络,可以实现资源搬迁利用,避免开通路侧5G基站,节约投资和建设成本,以光学信号的超低时延满足客户的通信需求。目前中国联通研究院已经开始推动产业布局和生态的形成,以期与5G车联网形成优势互补的局面。

综上所述,基于G.metro的低成本可调谐激光技术在激光雷达和车联网领域具有潜在的应用价值和出色的市场前景,是5G通信的一个重要补充手段。经过前期的一系列测试,已基本确定低成本可调谐光模块的可用性与原理的正确性,在激光雷达辅助车联网通信的专利布局中,优先抢占赛道,并且已经具备了核心技术的孵化能力,为运营商数字化转型中的业务发展方向提供了有力参考依据。


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