为了便于阅读，本文在不改变论文原意的情况下，对部分内容做了提炼，部分结构和表达做了一定调整，有些章节补充了辅助性描述和图片。

原文发表在《红外与激光工程》2024年第8期，论文地址：https://doi.org/10.3788/IRLA20240239，作者：朱精果1，袁野1,2，姜成昊1，刘宇1,2，赵政伟1 (1.中国科学院微电子研究所，2.中国科学院大学)

01

工作原理

FMCW激光雷达采用线性调频信号调制激光，并通过测量反射光信号和本振光信号相干后得到的拍频信号，来获得目标信息，有着作用距离远、探测精度高、测距测速一体和抗干扰等优点。

相比于传统脉冲式激光雷达，FMCW激光雷达采用相干探测技术，能够以较低的激光发射功率获得较高的信噪比，大幅降低外界辐射噪声的影响，被认为是面向未来的激光雷达技术。

系统主要包括激光光源、OPA收发芯片和探测处理模块。工作过程如下：

1. 窄线宽激光器产生线性调频激光，并进行分束（分为高功率分束光和低功率分束光）。其中，高功率分束光作为探测光经过OPA扫描照射目标，低功率分束光作为参考光与返回的探测光信号进行相干混频。

2. 对输出的干涉拍频信号，进行平衡接收与光电转换。

3. 通过高速信号的采集与处理，得到目标距离和速度信息。

扫描方式是FMCW激光雷达的重点，也是难点，其中，OPA被认为是FMCW激光雷达最理想的扫描方案。

OPA是由规律排列的多个光子器件构成的复合天线，能够支持全固态扫描，由于可以更好的实现FMCW激光雷达的芯片化和彻底的固态化。

2013年，麻省理工学院孙杰博士等研制了当时最大规模的二维OPA阵列，之后OPA受到广泛关注，得到快速发展。

图片来源：SUN J, TIMURDOGAN E, YAACOBI A, et al. Large-scale nanophotonic phased array [J]. Nature, 2013, 493(7431): 195-199.

02

国外研究现状

国外片上集成FMCW激光雷达研究起步早，具有先发优势。

近年来，在高校、实验室及企业方面，主要是美国麻省理工学院、南加州大学和AnalogPhotonics公司，一直进行结合OPA实现芯片级FMCW激光雷达工程化的有益尝试。

国外片上集成FMCW激光雷达技术一直在快速迭代，集成度较高，体现在：

1）OPA的阵列规模不断增加，已经从128通道发展到了9216通道。

2）尽管大规模OPA阵列的驱动和控制复杂度高，目前已有高密度的电子驱动电路以及复杂的算法，来协调各个阵列元素。

3）OPA的扫描视场不断扩大，旁瓣抑制水平也在不断提升。

03

国内研究现状

图片来源：YU L, MA P, LUO G, et al. Adoption of large aperture chirped grating antennas in optical phase array for long distance ranging [J]. Optics Express, 2022, 30(15): 28112-28120.（说明：原文图片(d)描述的CGA应为UGA，上图已经修改）

04

国内外研究汇总

05

关键技术

1. 发射

1）大带宽

2）高线性

3）高方向性和小发散角

2. 扫描

3. 接收检测

1）高对称要求的平衡探测器

2）信号处理技术

06

发展趋势

1. 提升各模块性能

2. 多通道并行收发及处理

图片来源：朱精果等，片上集成FMCW激光雷达研究进展

3. 提升集成度

本文内容仅代表个人观点，未必反映真实情况，仅供参考。如需要相关内容更详细的技术信息，欢迎添加“雪岭飞花”微信（maxhnnl）进一步交流，感谢。

参考资料

1. 朱精果，袁野，姜成昊，刘宇，赵政伟，《片上集成FMCW激光雷达研究进展（封面文章·特邀）》，《红外与激光工程》2024年第8期

2. WANG K, NIRMALATHAS A, LIM C, et al.  High-speed indoor optical wireless communication system employing a silicon integrated photonic circuit  [J].  Optics Letters,  2018,43(13): 3132-3135.

3. POULTON C V, BYRD M J, RUSSO P, et al.  Long-range LiDAR and free-space data communication with high-performance optical phased arrays  [J].  IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2019, 25(5): 1-8.

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