清華新聞網(wǎng)3月28日電 隨著人工智能與自動(dòng)駕駛技術(shù)的飛速發(fā)展,，實(shí)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(dá)（LiDAR）作為三維環(huán)境感知的新興關(guān)鍵傳感器件,，具有分辨率高,、抗有源干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其采集率與非模糊范圍的權(quán)衡問(wèn)題卻長(zhǎng)期制約著激光雷達(dá)硬件的性能和成本,。
清華大學(xué)精密儀器系與中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)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(duì)距離測(cè)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(gè)維度實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破,，提出基于重頻可調(diào)的集成鈮酸鋰電光頻率梳的調(diào)重頻光梳測(cè)距方法（RRMFC）,，成功實(shí)現(xiàn)1.79GHz單通道采集率的絕對(duì)距離測(cè)量，較現(xiàn)有技術(shù)提升一個(gè)數(shù)量級(jí)以上,。這種技術(shù)有望大幅提升激光雷達(dá)的采集率或畫(huà)面像素?cái)?shù),，可將現(xiàn)有激光雷達(dá)系統(tǒng)中的數(shù)百個(gè)并行探測(cè)單元簡(jiǎn)化為一個(gè)，為自動(dòng)駕駛,、無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域的實(shí)時(shí)高精度感知提供了全新解決方案,。
圖1.調(diào)重頻光梳測(cè)距系統(tǒng)示意圖
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)挑戰(zhàn),，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合多方研究背景和優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種基于重頻可調(diào)的集成鈮酸鋰電光頻率梳的距離測(cè)量系統(tǒng),。該設(shè)計(jì)使用一個(gè)電控重復(fù)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(dá)測(cè)量系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)具有顯著尖峰的拍頻信號(hào),，可直接通過(guò)簡(jiǎn)單的時(shí)域?qū)し逅惴ㄓ?jì)算物體的絕對(duì)距離，大幅提升了單次掃頻過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)的距離解算次數(shù),。研究團(tuán)隊(duì)還為這一測(cè)量方法量身定制了集成鈮酸鋰直波導(dǎo)式折疊光路相位調(diào)制電光頻梳,，調(diào)制區(qū)域長(zhǎng)度達(dá)到5厘米，尚屬業(yè)內(nèi)首次,。通過(guò)折疊光路,、倒角電極、空氣橋等技術(shù)的運(yùn)用,，該器件首次實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率連續(xù)任意可調(diào)諧,，在10GHz重復(fù)頻率下輸出光頻梳梳齒數(shù)量可達(dá)53根。
圖2. 集成鈮酸鋰電光頻梳
在RRMFC系統(tǒng)距離測(cè)量實(shí)驗(yàn)中,，研究團(tuán)隊(duì)測(cè)得最高測(cè)距刷新率達(dá)到1.79GHz,。與現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)界應(yīng)用的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)相比，單通道測(cè)距刷新率的性能提升達(dá)到4至5個(gè)數(shù)量級(jí),；在相同刷新率下的距離測(cè)量精密度提升最多可達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)以上,。將這一方案運(yùn)用在三維感知系統(tǒng)中，可以輕松實(shí)現(xiàn)高達(dá)3MP/s的單通道點(diǎn)頻,，這一點(diǎn)頻數(shù)據(jù)已經(jīng)超越了當(dāng)前多通道激光雷達(dá)系統(tǒng)的總點(diǎn)頻,。
圖3.調(diào)重頻光梳測(cè)距系統(tǒng)距離測(cè)量實(shí)驗(yàn)
研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期扎根于集成光學(xué)與精密測(cè)量的交叉學(xué)科領(lǐng)域，基于集成光學(xué)界的器件創(chuàng)新與精密測(cè)量學(xué)科中的方法創(chuàng)新,，高度融合地完成了這一交叉學(xué)科的研究工作,，實(shí)現(xiàn)了單通道1.79GHz的超高刷新率絕對(duì)距離測(cè)量。這一系統(tǒng)具有測(cè)距刷新率高,、非模糊范圍不受方法限制等優(yōu)勢(shì),，可以實(shí)現(xiàn)單通道的三維空間感知，有助于進(jìn)一步提升車用激光雷達(dá)的點(diǎn)頻和畫(huà)面像素?cái)?shù),，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于遠(yuǎn)處小物體的感知（如突然鉆出來(lái)的行人或自行車等）,，進(jìn)一步提升智能駕駛系統(tǒng)的安全性。
清華大學(xué)精儀系2024屆博士畢業(yè)生祁一凡,、博士后賈星宇,，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院2022級(jí)博士生王競(jìng)一為論文共同第一作者。中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院教授李楊（原清華大學(xué)精密儀器系副教授）,、清華大學(xué)精密儀器系副教授吳冠豪,、中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院教授蔡鑫倫為論文通訊作者,。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和重大科研儀器研制項(xiàng)目,、北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)研究專題等的資助,。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-58018-8
供稿：精儀系
編輯：李華山
審核：郭玲
