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

據(jù)美國普渡大學(xué)官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)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(dá)可以通過硅芯片上的機(jī)械控制與光調(diào)制，高分辨率地檢測(cè)附近快速移動(dòng)的物體。

背景

如今，許多無人駕駛汽車都配備了激光雷達(dá)（LiDAR），激光雷達(dá)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(cè)量物體之間距離的遙感技術(shù)，通過激光光波先向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)，然后將其接收到的信號(hào)與發(fā)射信號(hào)相比較，從而獲得目標(biāo)的位置（距離、方位和高度）、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（速度、姿態(tài)）等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。

可是，有時(shí)當(dāng)一個(gè)蹣跚學(xué)步的孩子和一個(gè)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?yàn)榧す饫走_(dá)識(shí)別物體時(shí)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(dá)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(cè)的方法來測(cè)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(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)速、測(cè)距。另外，調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是可以避免陽光和其他激光雷達(dá)系統(tǒng)的干擾，因此它將成為更有前景的激光雷達(dá)技術(shù)。

創(chuàng)新

近日，美國普渡大學(xué) OxideMEMS 實(shí)驗(yàn)室和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）光子與量子測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(dá)可以通過硅芯片上的機(jī)械控制與光調(diào)制，高分辨率地檢測(cè)附近快速移動(dòng)的物體。相關(guān)論文發(fā)表在《自然（Nature）》雜志上。

新技術(shù)采用聲學(xué)更好地控制激光脈沖分裂為頻率梳，有望幫助激光雷達(dá)檢測(cè)附近高速移動(dòng)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(dá)，是通過來自無人駕駛汽車頂部的掃描激光來檢測(cè)物體的。單個(gè)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?，梳齒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(jìn)入探測(cè)器，光隔離器和光環(huán)行器確保所有的反射光最終到達(dá)光探測(cè)器陣列。

普渡大學(xué)和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)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(duì)附近物體進(jìn)行更高分辨率的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)檢測(cè)。

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

這項(xiàng)技術(shù)集成了由氮化鋁制成的微機(jī)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(xiàng)工藝的一部分，該團(tuán)隊(duì)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(jìn)一步的介紹。

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

普渡大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系教授 Sunil Bhave 表示：“這種攪動(dòng)調(diào)制光線，使之只能向一個(gè)方向傳播?！?/p>

普渡大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系博士生 Hao Tian 在普渡大學(xué)位于探索公園的比爾克納米技術(shù)中心的 Scifres 納米制造設(shè)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(xué)院開發(fā)的氮化硅光子晶圓集成到一起。

Tian 表示：“嚴(yán)格垂直限制的聲體波，可以防止串?dāng)_，并且可以近距離放置致動(dòng)器?！?/p>

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

價(jià)值

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

研究人員稱，這種光調(diào)制技術(shù)不僅將力學(xué)與光學(xué)結(jié)合到一起，而且涉及到的制造工藝使得這項(xiàng)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(jiǎn)單地制造。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院物理系教授 Tobias Kippenberg 表示：“隨著目前未能預(yù)見到的應(yīng)用將在多個(gè)領(lǐng)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(shì)和功能?！?/p>

據(jù)研究人員稱，這項(xiàng)新技術(shù)將推動(dòng)在功率關(guān)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(yīng)用。

Bhave 表示：“沒有這種多學(xué)科的洲際合作，就沒有我們的成果?！?/p>