隨著人工智能與自動駕駛技術的飛速發(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(LiDAR)作為三維環(huán)境感知的新興關鍵傳感器件，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衡問題卻長期制約著激光雷達硬件的性能和成本。
 

　　清華大學精密儀器系與中山大學電子與信息工程學院合作，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)了技術突破，提出基于重頻可調的集成鈮酸鋰電光頻率梳的調重頻光梳測距方法(RRMFC)，成功實現(xiàn)1.79GHz單通道采集率的絕對距離測量，較現(xiàn)有技術提升一個數(shù)量級以上。這種技術有望大幅提升激光雷達的采集率或畫面像素數(shù)，可將現(xiàn)有激光雷達系統(tǒng)中的數(shù)百個并行探測單元簡化為一個，為自動駕駛、無人機等領域的實時高精度感知提供了全新解決方案。
 

圖1.調重頻光梳測距系統(tǒng)示意圖
 

　　針對現(xiàn)有技術挑戰(zhàn)，研究團隊結合多方研究背景和優(yōu)勢，設計了一種基于重頻可調的集成鈮酸鋰電光頻率梳的距離測量系統(tǒng)。該設計使用一個電控重復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尋峰算法計算物體的絕對距離，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式折疊光路相位調制電光頻梳，調制區(qū)域長度達到5厘米，尚屬業(yè)內(nèi)首次。通過折疊光路、倒角電極、空氣橋等技術的運用，該器件首次實現(xiàn)了重復頻率連續(xù)任意可調諧，在10GHz重復頻率下輸出光頻梳梳齒數(shù)量可達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到1.79GHz。與現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)界應用的調頻連續(xù)波激光雷達相比，單通道測距刷新率的性能提升達到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3MP/s的單通道點頻，這一點頻數(shù)據(jù)已經(jīng)超越了當前多通道激光雷達系統(tǒng)的總點頻。
 

圖3.調重頻光梳測距系統(tǒng)距離測量實驗
 

　　研究團隊長期扎根于集成光學與精密測量的交叉學科領域，基于集成光學界的器件創(chuàng)新與精密測量學科中的方法創(chuàng)新，高度融合地完成了這一交叉學科的研究工作，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的點頻和畫面像素數(shù)，可實現(xiàn)對于遠處小物體的感知(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。
 

　　清華大學精儀系2024屆博士畢業(yè)生祁一凡、博士后賈星宇，中山大學電子與信息工程學院2022級博士生王競一為論文共同第一作者。中山大學電子與信息工程學院教授李楊(原清華大學精密儀器系副教授)、清華大學精密儀器系副教授吳冠豪、中山大學電子與信息工程學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、國家自然科學基金重點項目和重大科研儀器研制項目、北京市自然科學基金重點研究專題等的資助