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应用于自动驾驶的闪光式激光雷达方案设计

2023-03-01 14:54:00

得益于一种全新的、克服了激光雷达（lidar）一些限制的系统，有一天我们的道路可能会变得更加安全。激光雷达使用脉冲激光绘制物体和场景，帮助自动驾驶机器人、车辆和无人机进行环境导航。新系统首次将传统光束扫描激光雷达系统的功能与称为闪光式激光雷达的新型3D方法相结合。

由日本京都大学Susumu Noda领导的研究人员描述了他们的新型非机械式3D激光雷达系统，该系统可以放在手掌上。他们还表示，它可以用来测量反射不良物体的距离，并自动跟踪这些物体的运动。

Noda表示：“有了我们的激光雷达系统，机器人和车辆将能够可靠、安全地在动态环境中导航，而不会看不到反射性较差的物体，如黑色金属汽车。如果将这项技术应用到汽车中，将使自动驾驶更加安全。”

这一新系统能够实现，主要得益于研究人员开发的一种称为双调制光子晶体激光器（DM-PCSEL）的独特光源。因为这种光源是基于芯片的，它最终可以实现芯片上全固态3D激光雷达系统的开发。

Noda表示：“DM-PCSEL将非机械式、电子控制的光束扫描与闪光式激光雷达中使用的闪光照明相结合，通过一次闪光获取完整的3D图像。这种独特的光源使我们能够同时实现闪光和扫描照明，而无需任何移动零部件或大型外部光学元件，如透镜和衍射光学元件。”

激光雷达系统通过用激光束照射这些物体，然后通过测量光束的飞行时间（ToF）来计算这些物体的距离，这是光线传播到物体、被反射然后返回系统所需的时间。大多数正在使用和开发中的激光雷达系统都依赖于移动零部件（如电机）来扫描激光束，这使得这些系统体积庞大、价格昂贵且不可靠。

一种被称为闪光式激光雷达的非机械方法，用一束宽的漫射光束同时照射和评估视野中所有物体的距离。然而，闪光式激光雷达系统无法用于测量反射性较差的物体（如黑色金属汽车）的距离，因为这些物体反射的光线非常少。由于产生闪光光束所需的外部透镜和光学元件，这些系统体积也往往较大。

为了解决这些关键的缺陷，研究人员开发了DM-PCSEL光源。它既有一个能照亮宽30°×30°视场的闪光光源，也有一个用100束窄激光束提供点照明的光束扫描光源。

他们将DM-PCSEL集成到一个3D激光雷达系统中，该系统让他们能使用宽闪光照明同时测量许多物体的距离，同时也可以用更集中的光束选择性地照亮反射性较差的物体。研究人员还安装了一台ToF相机来进行距离测量，并开发了能够使用光束扫描照明自动跟踪反射不良物体运动的软件。

Noda表示：“我们基于DM-PCSEL的3D激光雷达系统可以同时探测高反射和低反射物体。激光器、ToF相机以及操作系统所需的所有相关零部件都以紧凑的方式组装，从而使整个系统的体积比一张名片还小。”

研究人员通过测量放置在实验室桌子上反射不良物体的距离，展示了这一新的激光雷达系统。他们还表示，该系统可以自动识别反射不良物体，并使用选择性照明跟踪它们的移动。

研究人员目前正试图在实际应用中演示该系统，例如机器人和车辆的自动移动。他们还想看看，用对光更敏感的单光子雪崩光电二极管阵列取代ToF相机是否可以测量更远距离的物体。