美國開發(fā)新技術(shù)：可幫助激光雷達高分辨率地檢測附近快速移動的物體

據(jù)美國普渡大學官網(wǎng)近日報道，該校與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）的研究人員創(chuàng)造出一種方法，讓調(diào)頻連續(xù)波激光雷達可以通過硅芯片上的機械控制與光調(diào)制，高分辨率地檢測附近快速移動的物體。

背景

如今，許多無人駕駛汽車都配備了激光雷達（LiDAR），激光雷達被人們形象地比喻為無人駕駛汽車的“眼睛”。它是一種利用激光來測量物體之間距離的遙感技術(shù)，通過激光光波先向目標發(fā)射探測信號，然后將其接收到的信號與發(fā)射信號相比較，從而獲得目標的位置（距離、方位和高度）、運動狀態(tài)（速度、姿態(tài)）等信息，實現(xiàn)對目標的探測、跟蹤和識別。

可是，有時當一個蹣跚學步的孩子和一個牛皮紙袋突然出現(xiàn)在視野中，無人駕駛汽車卻很難辨別二者之間的差異，因為激光雷達識別物體時有一定的局限性。無人駕駛汽車行業(yè)正在探索“調(diào)頻連續(xù)波”（FMCW）激光雷達來解決這一問題。

調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的工作原理，是通過相位檢測的方法來測量反射激光與發(fā)射激光之間的頻率差，利用該方法從理論上可以實現(xiàn)同時測速、測距。另外，調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)還有一個優(yōu)點，就是可以避免陽光和其他激光雷達系統(tǒng)的干擾，因此它將成為更有前景的激光雷達技術(shù)。

創(chuàng)新

近日，美國普渡大學 OxideMEMS 實驗室和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）光子與量子測量實驗室的研究人員創(chuàng)造出一種方法，讓調(diào)頻連續(xù)波激光雷達可以通過硅芯片上的機械控制與光調(diào)制，高分辨率地檢測附近快速移動的物體。相關論文發(fā)表在《自然（Nature）》雜志上。

新技術(shù)采用聲學更好地控制激光脈沖分裂為頻率梳，有望幫助激光雷達檢測附近高速移動的物體。（圖片來源：WoogieWorks graphic/Alex Mehler）

技術(shù)

調(diào)頻連續(xù)波激光雷達，是通過來自無人駕駛汽車頂部的掃描激光來檢測物體的。單個激光束拆分為一系列其他的波長來掃描一片區(qū)域，這些頻譜線的分布如同我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫氖嶙樱猃X之間保持著相等的距離，因此這種激光源也稱為“微梳”。光線從物體上反射回來，通過光隔離器或光環(huán)行器進入探測器，光隔離器和光環(huán)行器確保所有的反射光最終到達光探測器陣列。

普渡大學和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院研究人員開發(fā)的技術(shù)，采用聲波來更快速地調(diào)諧這些組件，對附近物體進行更高分辨率的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達檢測。

研究人員打造一個高次諧波體聲波諧振驅(qū)動的光隔離器，可使激光雷達更好地檢測從物體反射回來的光線。（圖片來源：Purdue University image/Hao Tian）

這項技術(shù)集成了由氮化鋁制成的微機電系統(tǒng)（MEMS）換能器，在兆赫到千兆赫茲的高頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)微梳。作為這項工藝的一部分，該團隊開發(fā)的光隔離器，在《自然通信（Nature Communications）》期刊上發(fā)表的一篇論文中有進一步的介紹。

相控 MEMS 換能器陣列通過將螺旋狀的應力波發(fā)射到硅芯片中來攪動光線，這種換能器也可以在手機中用來識別蜂窩頻段。

普渡大學電氣與計算機工程系教授 Sunil Bhave 表示：“這種攪動調(diào)制光線，使之只能向一個方向傳播?！?/p>

普渡大學電氣與計算機工程系博士生 Hao Tian 在普渡大學位于探索公園的比爾克納米技術(shù)中心的 Scifres 納米制造設施中打造出這款 MEMS 換能器。他將換能器與在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院開發(fā)的氮化硅光子晶圓集成到一起。

Tian 表示：“嚴格垂直限制的聲體波，可以防止串擾，并且可以近距離放置致動器?！?/p>

采用相同技術(shù)的其他換能器激發(fā)了一個聲波，以兆赫頻率振動芯片，演示了對于激光脈沖微梳或者孤子的亞微秒控制和調(diào)諧。

價值

《自然》論文的第一作者、在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院領導氮化硅光子芯片制造的 Junqiu Liu 表示：“這一成就在集成光子學、MEMS 工程以及非線性光學之間架起了橋梁，代表新興的芯片基微梳技術(shù)的一個新的里程碑?！?/p>

研究人員稱，這種光調(diào)制技術(shù)不僅將力學與光學結(jié)合到一起，而且涉及到的制造工藝使得這項技術(shù)更具商業(yè)可行性。MEMS 換能器可以通過最少的處理在氮化硅光子晶圓上簡單地制造。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院物理系教授 Tobias Kippenberg 表示：“隨著目前未能預見到的應用將在多個領域出現(xiàn)，再一次證明這種混合系統(tǒng)可以獲得超越單一系統(tǒng)的優(yōu)勢和功能?！?/p>

據(jù)研究人員稱，這項新技術(shù)將推動在功率關鍵型系統(tǒng)例如在太空、數(shù)據(jù)中心和便攜式原子鐘或者低溫等極端環(huán)境中的微梳應用。

Bhave 表示：“沒有這種多學科的洲際合作，就沒有我們的成果?！?/p>