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瑞士科学家开发出FMCW激光雷达并行测量新技术


  来源: 国家工业信息安全发展研究中心 时间:2020-05-25 编辑:清风
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激光雷达(LiDAR)是一种利用激光来测量物体之间距离的遥感技术,其利用发射和接收光信号之间的时间差乘以光速来测量距离。当今3D 激光雷达传感器具有高的横向、纵向和径向分辨率,是推动L4级和L5级自动驾驶汽车不断发展的关键部件。

激光雷达点云(图片来源:洛桑联邦理工学院)


3D激光雷达传感技术的兴起源于2007年DARPA组织的“自动驾驶挑战赛”,当时DARPA推出了世界首个旋转激光阵列传感器,该传感器多达128条激光线,可同时进行测量。现今,大多数激光雷达传感器都基于飞行时间测量原理,传感器孔径发射出短脉冲或脉冲模式激光,并利用光电探测器检测背向反射光的功率。


调频连续波(FMCW)激光雷达的原理则不同,它利用了相干激光测距原理。对激光器进行频率调制产生线性频率啁啾,再基于混合外差法将目标距离转换为射频频率。


相干检测具有诸多优势,例如高测距分辨率,可通过多普勒效应直接进行速度检测,以及不受日光干扰。然而,迄今为止,如何精确控制多个窄线宽频率捷变激光器的技术复杂性,成为了阻碍调频连续波(FMCW)激光雷达实现并行测量的主要因素。


目前,洛桑联邦理工学院(EPFL)的Tobias Kippenberg教授的研究团队找到了一种利用集成的非线性光子电路来实现调频连续波(FMCW)激光雷达并行测量的新方法。该方法将一单频连续激光耦合进氮化硅平面微腔中,在色散、非线性、腔泵浦和损耗的共同作用下,连续激光被转换为稳定的光脉冲序列。该项研究成果已发表在《自然》杂志上。


该项研究的第一作者Johann Riemensberger(博士后)说“令人惊讶的是,形成的耗散克尔孤子不仅在泵浦激光是啁啾时持续存在,而且还能将啁啾不失真地传递到所有产生的光梳齿上。”


小尺寸微腔使得所产生的光梳齿间频率间隔为100 吉赫兹,足以使用标准衍射光学器件将其分开。由于每个梳齿继承了泵浦激光的线性啁啾特性,因此,该技术有可能在微腔中创建多达30个独立的调频连续波(FMCW)激光雷达通道。


每个通道都能够同时测量目标物的距离和移动速度,而不同通道的光谱分离使得该器件各通道间无串扰。同时,该器件可与基于光子集成光栅发射器的光学相控阵进行集成。


该器件发射光束可以空间分离,且运行在1550纳米光波段内,可放宽人眼和相机对其的安全限制。研究团队中的博士研究生Anton Lukashchuk说:“在不久的将来,洛桑联邦理工学院(EPFL)所开发的技术可以将相干调频连续波(FMCW)激光雷达的采样率提高10倍。”


该技术概念依赖于高质量的氮化硅微腔,该微腔是由洛桑联邦理工学院(EPFL)的微纳技术中心(CMi)制作的,具有超低损耗特性。洛桑联邦理工学院(EPFL)孵化的LiGENTEC SA公司专门从事基于氮化硅的光子集成电路(PIC)的制造,现在可以通过该公司进行氮化硅微腔的订购。


该项研究工作为相干激光雷达在未来自动驾驶汽车中的广泛应用铺平了道路。现在,研究人员致力于将激光器、低损耗非线性微腔和光电探测器进行片上集成。(国家工业信息安全发展研究中心郑发松)


关键词:激光雷达 测量新技术 传感器    浏览量:941

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