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内容

声光光束扫描实现小型、低成本、大视场LiDAR

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通过使用单一千兆赫声学换能器驱动的芯片尺度声光束偏转技术,华盛顿大学的李等人发表了题为《使用芯片尺度声光束偏转的频率-角度分辨激光雷达》的论文,该技术能够在频域解析角度位置,为自动驾驶汽车和机器人等智能自动化系统中的光学感知技术提供了新的可能性。

事实

  • 🌟 光检测与测距(LiDAR)由于其卓越的成像分辨率和范围,正在迅速成为智能自动化系统,包括自动驾驶汽车和机器人等的不可或缺的光学感知技术。
  • 🌟 下一代LiDAR系统的发展迫切需要一种非机械式的光束偏转系统,以在空间中扫描激光束。虽然已开发出多种光束偏转技术,包括光学相控阵、空间光调制、焦平面开关阵列、色散频率梳和光谱时域调制等,但其中许多系统仍然笨重、易碎且昂贵。
  • 🌟 该研究报告了一种基于芯片尺度声光束偏转技术的技术,只需使用一个千兆赫的声学换能器就能将光束引导到自由空间。利用布里渊散射的物理现象,不同角度偏转的光束带有独特的频率偏移,该技术使用单一相干接收器在频域中解析物体的角度位置,实现了频率-角度分辨的LiDAR。
  • 🌟 研究团队演示了一个简单的设备构造、光束偏转的控制系统和频域检测方案。该系统实现了带有18°视场的频率调制连续波测距,0.12°的角度分辨率以及最大达到115米的测距距离。
  • 🌟 该技术的演示可以扩展为一个阵列,实现微型、低成本的频率-角度分辨LiDAR成像系统,具有广阔的二维视场。这一发展迈出了在自动化、导航和机器人领域广泛使用LiDAR的一步。

LiDAR的重要性与技术瓶颈:

凭借其卓越的成像分辨率和范围,光检测和测距(LiDAR)正迅速成为包括自动驾驶汽车和机器人在内的智能自动化系统不可或缺的光学感知技术。下一代LiDAR系统的开发迫切需要一种非机械光束控制系统,该系统可以在空间中扫描激光束。

已经开发了各种波束控制技术,包括光学相控阵、空间光调制、焦平面开关阵列、色散频率梳和时空调制。然而,其中许多系统仍然笨重、易碎且昂贵。在这里,我们报告了一种片上声光波束控制技术,该技术仅使用单个千兆赫声换能器将光束引导到自由空间。

利用布里渊散射的物理学,其中以不同角度控制的光束被标记为独特的频移,该技术使用单个相干接收器来解析频域中物体的角位置。

频率角度分辨LiDAR的优势与应用前景:

我们演示了一个简单的设备结构、波束控制控制系统和频域检测方案。该系统可实现调频连续波测距,视场角为18°,角分辨率为0.12°,测距距离可达115米。

该演示可以扩展到一个阵列,实现具有宽二维视场的微型、低成本频率角度分辨LiDAR成像系统。这一发展代表了LiDAR在自动化、导航和机器人技术中的广泛使用。

我认为这种频率角度分辨的LiDAR技术将大大推动下一代自动驾驶汽车和机器人的感知能力,使它们能更准确判断周围环境,做出正确的决策。

此外,这种技术还可应用于无人机和其他自动导航系统,提升它们的安全性和效率。相信随着技术的进一步成熟,片上声光波束控制将为LiDAR系统带来革命性的突破。

a, 基于声光波束控制的远程激光雷达方案示意图。
b, 声光Brillouin散射过程的色散图。模拟LN平面波导TE0模的色散曲线,绘制为红色曲线。在频率ω0(波长1.55μm)时,模态波数为1.8k0(红色圆圈)。反向传播的声波(绿色箭头)将光散射到空气的光锥中(灰色阴影区域中的紫色圆圈)。为清楚起见,频率轴不等于刻度。插图:Brillouin粒子散射的动量向量关系。光以与表面角度θ散射到空间中。

c, 带有十个声光波束控制器件的LNOI芯片的照片。

d, IDT 的扫描电子显微镜图像。周期从1.45到1.75 μm。

a, 频率角度解析LiDAR系统示意图。发射器包括固定波长的光纤耦合激光源、用于调频连续波的电光调制器(图4中使用)和由无线频率源驱动的声光波束控制装置,以控制光束方向。添加一个镜子用于将光线偏转向物体。相干接收器利用同相检测解析反射光的频移,即将其与从激光源分流的本振光混频,二者产生拍频信号。使用平衡光检波器测量拍频信号,再由数字数据采集系统或实时频谱分析器进行取样。作为示范,一块60×50 mm的印有哈士奇图案的回反膜被用作目标物体,置于LiDAR系统1.8米远。

b,当声光波束控制器扫描光束于视场内时,接收器端拍频信号的频谱。根据图2d中的频率-角度关系,拍频频率可以转换为物体的角度。

c,目标物体的频率角度解析LiDAR图像。各像素的位置和亮度分别由信号的拍频频率及功率解析得出。

d,e,两个代表性像素的原始拍频信号(橙色d; 紫色e)。

原文连结

http://image-sensors-world.blogspot.com/2023/08/acousto-optic-beam-steering-for-lidars.html

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