激光测距分辨率突破，相位倍增实现十倍提升

作者 | 光小研

编辑 | 光小语

导读

2026年1月12日，国际知名期刊《光：科学与应用》（Light Science & Applications）发表了一项突破性光学测距研究《基于腔体动力学的相位倍增干涉测量用于分辨率增强相干测距（Phase-multiplied interferometry via cavity dynamics for resolution-enhanced coherent ranging）》。该项研究由孙洪波院士、谭一东教授团队主导，实现了基于激光反馈的相位倍增方法，将测距分辨率提升超过10倍。

这项技术巧妙地利用了激光腔体内部的动力学效应，当目标散射光回馈到激光谐振腔时，会自发产生谐波信号，从而倍增相位灵敏度。实验结果显示，系统能激发高达13阶谐波；在不增加硬件复杂度的前提下，将测距分辨率从毫米级提升至微米级，标准偏差仅数十微米。同时，系统还显著改善了信噪比，降低了光子消耗和成本。

它打破了传统激光测居中分辨率与系统复杂度的固有权衡，为自动驾驶、精密制造和3D成像等领域提供了更高效、低成本的解决方案。未来，这项技术有望推动紧凑型激光雷达的发展，让高精度测距“飞入寻常百姓家”。

测距的“分辨率困境”

激光测距，就像给世界戴上了一副“透视眼镜”，在自动驾驶、工业制造中无处不在。但传统方法有个头疼的问题：想提高分辨率？就得拼命增加扫描带宽，系统复杂度也跟着飙升。

这就好比你想看清更远的细节，却不得不扛着一台巨型望远镜，既笨重又昂贵。论文指出，现有技术如频率调制连续波（FMCW）系统，分辨率受限于扫描带宽，而扩展带宽往往需要复杂的光源和信号分析。

▲激光测距概念图

更糟的是，高分辨率测距常伴随着高噪声和低灵敏度，尤其在弱光环境下。这种“分辨率困境”限制了激光测距在实时应用中的普及，比如自动驾驶汽车需要快速、精准地感知周围环境。

这项新研究正是瞄准了这个痛点，通过巧妙的相位倍增机制，绕过硬件限制，让分辨率轻松提升。想象一下，未来你的手机可能集成微型激光雷达，精准测距不再是大块头的专利。

激光的“自我修炼”

那么，相位倍增是怎么实现的？秘诀在于激光的“自我修炼”——利用激光反馈效应。当目标散射光回馈到激光谐振腔时，它与腔内的光场发生干涉，触发非线性动力学过程。

这个过程简单来说就是：反馈光周期性调制激光的运行频率，产生一系列谐波信号。这些谐波携带了倍增的相位信息，相当于把有效扫描带宽扩展了N倍（N是谐波阶数）。实验显示，系统能自发产生高达13阶谐波，相位灵敏度直线上升。

▲相位倍增原理图

更妙的是，这些谐波与基波保持稳定的相位相关性，噪声被有效控制。同时，激光反馈还带来了信号放大效果，信噪比大幅提升。这意味着，即使用弱光回馈，系统也能“听”到清晰的信号。

这种方法简单高效，无需外部复杂调制器，成本低、易集成。它让激光腔不仅是信号发生器，还成了智能处理单元，真正实现了“一石二鸟”。

从实验室到现实

理论再好，也得靠实验说话。研究团队搭建了测试系统，用反射镜和铝块作为目标，验证了相位倍增的威力。

在分辨率测试中，当目标移动0.1毫米时，使用13阶谐波能清晰重构运动轨迹，标准偏差小于50微米；而传统基波信号则完全无法分辨。对于非合作目标（如低反射率铝块），4阶谐波也能将分辨率从1.4毫米提升至0.3毫米。

▲测距性能展示

更惊艳的是3D成像应用。通过光束扫描，系统成功重建了“THU”字母形状的铝块目标。即使扫描带宽仅15吉赫兹（相当于传统相位调制器的水平），使用3阶谐波也能清晰成像，而传统方法几乎看不清细节。

▲3D成像结果

这些结果证明，相位倍增技术不仅实验室可行，还能直接应用到现实场景。它让高分辨率测距变得“亲民”，为工业检测、医疗诊断等领域打开新大门。

未来展望

这项技术的潜力，远不止于测距。它代表了光学传感领域的一次范式转变——通过智能算法般的腔体动力学，实现硬件简化下的性能飞跃。

未来，我们可以期待更紧凑的激光雷达系统，集成到智能手机或无人机中，用于增强现实导航或环境建模。在自动驾驶中，高分辨率测距能提升安全性，实时识别微小障碍物。工业上，它可用于精密零件检测，误差控制到微米级。

尽管当前系统受机械调制限制，更新率在几十赫兹，但原理适用于激光二极管等平台，未来结合快速调谐技术，有望实现千赫兹级实时测量。

技术对比显示，相位倍增方法在分辨率、成本和复杂度上均优于传统FMCW系统。它就像给光学测距装上了“涡轮增压”，在不增加负担的前提下，输出更强动力。

随着进一步优化，这项技术或将重塑我们对高精度测量的认知，让科技更贴近生活。

论文信息

• 中文标题：基于腔体动力学的相位倍增干涉测量用于分辨率增强的相干测距
• 英文标题：Phase-multiplied interferometry via cavity dynamics for resolution-enhanced coherent ranging
• 作者：Yuyi Wang, Jinsong Liu, Chenxiao Lin, Xin Xu, Yuyi Wang, Xinhua Yang, Binbin Xie, Jibo Han, Tong Wu, Xuling Lin, Liangcai Cao, Hongbo Sun, Yidong Tan*
• 期刊：Light Science & Applications
• 发表日期：2026-01-12
• DOI：10.1038/s41377-025-02160-x
• 链接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02160-x
• 关键词：测距, 光学, 谐波, 物理学, 激光

长三角G60激光联盟陈长军转载

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