【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著人工智能與自動駕駛技術(shù)的飛速發(fā)展，實現(xiàn)高速、高精度的三維環(huán)境感知成為重要挑戰(zhàn)。激光雷達(dá)(LiDAR)作為三維環(huán)境感知的新興關(guān)鍵傳感器件，具有分辨率高、抗有源干擾能力強等優(yōu)點，但其采集率與非模糊范圍的權(quán)衡問題卻長期制約著激光雷達(dá)硬件的性能和成本。
清華大學(xué)精密儀器系與中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院合作，于3月25日在《自然·通訊》(Nature Communications)發(fā)表了題為“基于鈮酸鋰電光頻梳的1.79GHz刷新率絕對距離測量系統(tǒng)”(1.79-GHz acquisition rate absolute distance measurement with lithium niobate electro-optic comb)的研究論文，從方法與器件兩個維度實現(xiàn)了技術(shù)突破，提出基于重頻可調(diào)的集成鈮酸鋰電光頻率梳的調(diào)重頻光梳測距方法(RRMFC)，成功實現(xiàn)1.79GHz單通道采集率的絕對距離測量，較現(xiàn)有技術(shù)提升一個數(shù)量級以上。這種技術(shù)有望大幅提升激光雷達(dá)的采集率或畫面像素數(shù)，可將現(xiàn)有激光雷達(dá)系統(tǒng)中的數(shù)百個并行探測單元簡化為一個，為自動駕駛、無人機等領(lǐng)域的實時高精度感知提供了全新解決方案。
圖1.調(diào)重頻光梳測距系統(tǒng)示意圖
針對現(xiàn)有技術(shù)挑戰(zhàn)，研究團隊結(jié)合多方研究背景和優(yōu)勢，設(shè)計了一種基于重頻可調(diào)的集成鈮酸鋰電光頻率梳的距離測量系統(tǒng)。該設(shè)計使用一個電控重復(fù)頻率的集成電光頻梳作為光源，并在GHz范圍內(nèi)線性掃描電光頻梳的重頻，在激光雷達(dá)測量系統(tǒng)中可實現(xiàn)具有顯著尖峰的拍頻信號，可直接通過簡單的時域?qū)し逅惴ㄓ嬎阄矬w的絕對距離，大幅提升了單次掃頻過程中可以實現(xiàn)的距離解算次數(shù)。研究團隊還為這一測量方法量身定制了集成鈮酸鋰直波導(dǎo)式折疊光路相位調(diào)制電光頻梳，調(diào)制區(qū)域長度達(dá)到5厘米，尚屬業(yè)內(nèi)首次。通過折疊光路、倒角電極、空氣橋等技術(shù)的運用，該器件首次實現(xiàn)了重復(fù)頻率連續(xù)任意可調(diào)諧，在10GHz重復(fù)頻率下輸出光頻梳梳齒數(shù)量可達(dá)53根。
圖2. 集成鈮酸鋰電光頻梳
在RRMFC系統(tǒng)距離測量實驗中，研究團隊測得最高測距刷新率達(dá)到1.79GHz。與現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)界應(yīng)用的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)相比，單通道測距刷新率的性能提升達(dá)到4至5個數(shù)量級；在相同刷新率下的距離測量精密度提升最多可達(dá)一個數(shù)量級以上。將這一方案運用在三維感知系統(tǒng)中，可以輕松實現(xiàn)高達(dá)3MP/s的單通道點頻，這一點頻數(shù)據(jù)已經(jīng)超越了當(dāng)前多通道激光雷達(dá)系統(tǒng)的總點頻。
圖3.調(diào)重頻光梳測距系統(tǒng)距離測量實驗
研究團隊長期扎根于集成光學(xué)與精密測量的交叉學(xué)科領(lǐng)域，基于集成光學(xué)界的器件創(chuàng)新與精密測量學(xué)科中的方法創(chuàng)新，高度融合地完成了這一交叉學(xué)科的研究工作，實現(xiàn)了單通道1.79GHz的超高刷新率絕對距離測量。這一系統(tǒng)具有測距刷新率高、非模糊范圍不受方法限制等優(yōu)勢，可以實現(xiàn)單通道的三維空間感知，有助于進一步提升車用激光雷達(dá)的點頻和畫面像素數(shù)，可實現(xiàn)對于遠(yuǎn)處小物體的感知(如突然鉆出來的行人或自行車等)，進一步提升智能駕駛系統(tǒng)的安全性。
清華大學(xué)精儀系2024屆博士畢業(yè)生祁一凡、博士后賈星宇，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院2022級博士生王競一為論文共同第一作者。中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院教授李楊(原清華大學(xué)精密儀器系副教授)、清華大學(xué)精密儀器系副教授吳冠豪、中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院教授蔡鑫倫為論文通訊作者。研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重點項目和重大科研儀器研制項目、北京市自然科學(xué)基金重點研究專題等的資助。
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