激光雷达技术的新飞跃：提升无人驾驶等新技术的安全性！

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原标题：激光雷达技术的新飞跃：提升无人驾驶等新技术的安全性！

导读

据美国科罗拉多大学波尔得分校官网近日报道，该校研究人员开发出一款新型硅芯片，可以改善激光雷达系统所需的分辨率和扫描速度。

背景

智能手机使我们的生活方式发生了翻天覆地的变化，同样无人驾驶汽车（也称为“自动驾驶汽车”）势必也会对我们的生活产生深远的影响。有机构预测，2030年全球无人驾驶汽车的市场机会将比2020年增加一倍以上，从400亿美元增长到870亿美元。

Junior，2009年10月在斯坦福大学，以大众帕萨特为基础改装的自动驾驶汽车。（图片来源：维基百科）

得益于摄像传感技术进步、芯片速度提升、人工智能算法、智慧交通规划等诸多因素，无人驾驶技术正加速从理论变为现实。如今，许多在道路上行驶的汽车已经具有一些自动驾驶辅助功能，例如自适应巡航控制（ACC）和车道保持辅助（LKA）。

特斯拉 Autopilot 自动辅助驾驶系统在使用中（图片来源：维基百科）

然而，我们的最终目标是实现“彻底的无人驾驶”：汽车可以完全自动控制车辆，全程检测交通环境，实现所有的驾驶目标。驾驶员在任何时候都无需对车辆进行操控。为了打造这样的无人驾驶汽车，我们需要的不仅仅是传统的摄像头和雷达技术，而是一项新技术：激光雷达。许多人将这项技术形象地比喻为无人驾驶汽车的“眼睛”。

Cruise Automation 无人驾驶汽车车顶上有五个 Velodyne LiDAR 模块。（图片来源：维基百科）

激光雷达（LiDAR）全称为“Light Detection and Ranging”，即“激光探测和测距”，又称“光学雷达”。LIDAR 是一种测距技术，它利用激光光波先向目标发射探测信号，然后将其接收到的信号与发射信号相比较，从而获得目标的位置(距离、方位和高度)、运动状态(速度、姿态)等信息，实现对目标的探测、跟踪和识别。

这款移动机器人采用激光雷达来构建地图以及避开障碍物。（图片来源：维基百科）

LiDAR 与 RADAR（使用的无线电波导航，主要由舰船和飞机使用）以及 SONAR（使用声音的水下物体探测和导航，主要由潜艇使用）非常相似，都是使用波的反射原理进行物体探测和距离估计。区别在于：RADAR基于无线电波，SONAR 基于声音，LIDAR 基于光束（激光）。

激光雷达系统很有可能在未来科技中扮演非常重要的角色，例如安装在无人驾驶汽车的顶部使车辆可以实时“看见”周围环境，或者嵌入到最新的电子产品例如智能手机或者平板电脑中，使他们可以绘制三维图像，或者用于提升电子游戏中的增强现实效果。

然而挑战在于：这些三维成像系统占据太多空间，造价昂贵，而且难以缩小至这些即将出现的应用所要求的尺寸。

创新

近日，美国科罗拉多大学波尔得分校的研究人员朝着解决上述问题迈出了一大步。在一篇于《Optica》杂志上发表的新论文中，他们描述了一款新型硅芯片（不含运动部件或电子元件），可以改善激光雷达系统所需的分辨率和扫描速度。

下图所示：具有蛇形光学相控阵（SOPA）“小瓷砖”阵列的硅芯片。在8乘4的阵列中，32个“小瓷砖”的光栅设计略有不同，这里显示了一对匹配的“小瓷砖”在这个视角下“发光”。所绘制的叠加图像是来自两块匹配的“小瓷砖”的光线和以及远场光束干涉图案，显示了“小瓷砖”光束的形成。

（图片来源: Bohan Zhang 和 Nathan Dostart）

这项研究的领导作者、最近在电气与计算机工程系完成博士学位的纳珍·道斯达特（Nathan Dostart）表示：“我们正在找寻一个理想的方案，就是用这个扁平的小芯片取代庞大笨重的激光雷达系统。”

技术

目前商用的激光雷达系统使用大型旋转镜来引导激光光束，从而创造出三维图像。过去三年中，道斯达特及其同事们一直在研究一种引导激光光束的新方法，称为“波长转向（wavelength steering）”。在这种方法中，每个波长或者说“颜色”的激光指向一个独特的角度。

他们不仅开发出一种方法，可以同时沿着两个维度（而不是只有一个维度）制作这个图像，而且还实现了彩色，采用“彩虹”图案来拍摄三维图像。因为光束很容易通过改变颜色来控制，因此可以同时控制多个相控阵以创造出更大光圈以及更高分辨率的图像。

下图所示：“波长转向”的硅光子光学相控阵处理的光栅扫描图案。这种图案的曲线是片上波导系统色散的一个标志。

（图片来源：Nathan Dostart）

这项研究的合著者以及电气与计算机工程系教授开尔文·瓦格纳（Kelvin Wagner）表示：“我们搞清楚了如何将这种二维彩虹放到极小的芯片中。”

价值

虽然雷达系统在尺寸方面取得了巨大进步，但迄今为止它们仍然是无人驾驶汽车中最昂贵的部件，每个价值可高达7万美元。

为了有一天能在消费市场上广泛应用，激光雷达必须变得更便宜、更迷你、更简单。某些公司正在尝试采用硅光子学实现这一壮举，硅光子学是电气工程中一个用硅芯片来处理光的新兴领域。

下图所示：美国麻省理工学院光子微系统项目组开发的单芯片上的激光雷达系统，不含运动部件，量产成本很低，可应用于无人驾驶汽车、无人机、机器人等领域。

（图片来源: Christopher V. Poulton）

该研究团队的新发现是用于激光雷达系统的硅芯片技术的一项重要进展。

波士顿大学工程学院副教授、论文合著者之一的 Miloš Popović 表示：“电通信已经达到了绝对极限。光学必须发挥作用，并且这就是为什么所有这些大玩家都在致力于让硅光子学技术在工业上可行。”

这些硅芯片制造得越小越简单（同时在成像中保持高分辨率和精确性），它们可以应用的技术就越多，包括无人驾驶汽车和智能手机。

有传闻说，即将发布的 iPhone 12 将配备激光雷达摄像头，就像目前的 iPad Pro 一样。这项技术不仅可以提升人脸识别的安全性，而且有朝一日也将辅助绘制登山路线图，测量距离并甚至能辨认出动物的踪迹或植物。

第四代 iPad Pro上的 LiDAR 扫描仪。（图片来源：维基百科）

将继续在美国国家航空航天局（NASA）弗吉尼亚州兰利研究中心工作的道斯达特表示：“我们正在提出一个采用芯片技术实现激光雷达的可扩展方案。这是第一步，是这个方案的第一块基石。我们还有很长的路要走。”

关键词

硅芯片、无人驾驶、激光雷达

参考资料

【1】Nathan Dostart, Bohan Zhang, Anatol Khilo, Michael Brand, Kenaish Al Qubaisi, Deniz Onural, Daniel Feldkhun, Kelvin H. Wagner, Miloš A. Popović. Serpentine optical phased arrays for scalable integrated photonic lidar beam steering. Optica, 2020; 7 (6): 726 DOI: 10.1364/OPTICA.389006

【2】https://www.colorado.edu/today/2020/07/06/leap-lidar-could-improve-safety-security-new-technology游戏网

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