激光雷达的进步可以提高车辆和智能手机的安全性

无论是安装在自动驾驶汽车上，还是嵌入在最新的小工具中，光探测和测距(激光雷达)系统都可能在我们的技术未来中发挥重要作用，使车辆能够实时“看”，手机能够绘制三维图像，并增强视频游戏中的增强现实(AR)。

激光雷达是一种利用激光束(不可见光脉冲)来测量距离的遥感方法。这些光束从它们所经过的一切物体上反射回来。传感器收集这些反射，实时创建周围环境的精确三维图像。它已经在卫星和飞机上使用了至少50年，用于进行大气传感，测量水体的深度和地形的高度。

挑战在于这些3d成像系统体积庞大、价格昂贵，而且很难缩小到这些新兴应用所需的尺寸。然而，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员离解决方案又近了一大步。他们描述了一种硅芯片——没有移动部件或电子设备——可以提高激光雷达系统所需的分辨率和扫描速度。

最近刚完成电气与计算机工程系博士学位的内森·多斯特(Nathan Dostart)说:“我们希望用这种扁平的小芯片理想地取代大、笨重、笨重的激光雷达系统。”

目前的商用激光雷达系统使用大型旋转镜来引导激光束，从而生成三维图像。在过去的三年里，Dostart和他的同事们一直在研究一种控制激光束的新方法，称为波长控制——激光的每个波长或“颜色”都指向一个唯一的角度。

他们不仅开发了一种方法，可以同时在二维空间中实现，而不仅仅是一维空间，他们还用颜色来实现，使用“彩虹”图案来拍摄3d图像。由于光束很容易通过简单地改变颜色来控制，因此可以同时控制多个相控阵，以创建更大的孔径和更高分辨率的图像。

“我们已经想出了如何将这种二维彩虹放入一个小芯片中，”电子和计算机工程教授Kelvin Wagner说。

电子通信的终结

自动驾驶汽车目前是一个价值500亿美元的产业，预计到2026年价值将超过5000亿美元。虽然现在道路上的许多汽车已经具备了一些自动辅助功能，比如增强的巡航控制和自动车道定心，但真正的竞赛是创造一辆无需人类驾驶员输入或负责的自动驾驶汽车。在过去15年左右的时间里，创新者们已经意识到，要做到这一点，汽车需要的不仅仅是摄像头和雷达，它们还需要激光雷达。

激光雷达是一种利用激光束(不可见光脉冲)来测量距离的遥感方法。这些光束在其路径上的所有物体上反射，传感器收集这些反射，实时创建周围环境的精确三维图像。

激光雷达就像光的回声定位:它可以告诉你图像中每个像素的距离。它已经在卫星和飞机上使用了至少50年，用于进行大气传感，测量水体的深度和地形的高度。

虽然激光雷达系统的规模已经取得了很大的进步，但它们仍然是自动驾驶汽车中最昂贵的部分，每台高达7万美元。

为了有一天在消费市场广泛应用，激光雷达必须变得更便宜、更小、更简单。一些公司正试图利用硅光子学来实现这一壮举。硅光子学是电子工程中的一个新兴领域，它使用可以处理光的硅芯片。

研究小组的新发现是用于激光雷达系统的硅芯片技术的重要进步。

“电子通信已经达到了绝对的极限。光学必须发挥作用，这就是为什么所有这些大公司都致力于使硅光子学技术在工业上可行，”波士顿大学工程学副教授米洛什·波波维奇说。

这些硅芯片制造得越简单、越小——同时保持成像的高分辨率和精度——就能应用于包括自动驾驶汽车和智能手机在内的更多技术。

“我们正在提出一种使用芯片技术的可扩展激光雷达方法。这是第一步，是这种方法的第一个组成部分，”Dostart说，他将继续在弗吉尼亚州的NASA兰利研究中心工作。“还有很长的路要走。”

-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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