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仪表网 研发快讯】随着人工智能与自动驾驶技术的飞速发展，实现高速、高精度的三维环境感知成为重要挑战。
激光雷达(LiDAR)作为三维环境感知的新兴关键
传感器件，具有分辨率高、抗有源干扰能力强等优点，但其采集率与非模糊范围的权衡问题却长期制约着激光雷达硬件的性能和成本。
清华大学精密仪器系与中山大学电子与信息工程学院合作，于3月25日在《自然·通讯》(Nature Communications)发表了题为“基于铌酸锂电光频梳的1.79GHz刷新率绝对距离测量系统”(1.79-GHz acquisition rate absolute distance measurement with lithium niobate electro-optic comb)的研究论文，从方法与器件两个维度实现了技术突破，提出基于重频可调的集成铌酸锂电光频率梳的调重频光梳测距方法(RRMFC)，成功实现1.79GHz单通道采集率的绝对距离测量，较现有技术提升一个数量级以上。这种技术有望大幅提升激光雷达的采集率或画面像素数，可将现有激光雷达系统中的数百个并行探测单元简化为一个，为自动驾驶、无人机等领域的实时高精度感知提供了全新解决方案。
图1.调重频光梳测距系统示意图
针对现有技术挑战，研究团队结合多方研究背景和优势，设计了一种基于重频可调的集成铌酸锂电光频率梳的距离测量系统。该设计使用一个电控重复频率的集成电光频梳作为光源，并在GHz范围内线性扫描电光频梳的重频，在激光雷达测量系统中可实现具有显著尖峰的拍频信号，可直接通过简单的时域寻峰算法计算物体的绝对距离，大幅提升了单次扫频过程中可以实现的距离解算次数。研究团队还为这一测量方法量身定制了集成铌酸锂直波导式折叠光路相位调制电光频梳，调制区域长度达到5厘米，尚属业内首次。通过折叠光路、倒角电极、空气桥等技术的运用，该器件首次实现了重复频率连续任意可调谐，在10GHz重复频率下输出光频梳梳齿数量可达53根。
图2. 集成铌酸锂电光频梳
在RRMFC系统距离测量实验中，研究团队测得最高测距刷新率达到1.79GHz。与现在产业界应用的调频连续波激光雷达相比，单通道测距刷新率的性能提升达到4至5个数量级；在相同刷新率下的距离测量精密度提升最多可达一个数量级以上。将这一方案运用在三维感知系统中，可以轻松实现高达3MP/s的单通道点频，这一点频数据已经超越了当前多通道激光雷达系统的总点频。
图3.调重频光梳测距系统距离测量实验
研究团队长期扎根于集成光学与精密测量的交叉学科领域，基于集成光学界的器件创新与精密测量学科中的方法创新，高度融合地完成了这一交叉学科的研究工作，实现了单通道1.79GHz的超高刷新率绝对距离测量。这一系统具有测距刷新率高、非模糊范围不受方法限制等优势，可以实现单通道的三维空间感知，有助于进一步提升车用激光雷达的点频和画面像素数，可实现对于远处小物体的感知(如突然钻出来的行人或自行车等)，进一步提升智能驾驶系统的安全性。
清华大学精仪系2024届博士毕业生祁一凡、博士后贾星宇，中山大学电子与信息工程学院2022级博士生王竞一为论文共同第一作者。中山大学电子与信息工程学院教授李杨(原清华大学精密仪器系副教授)、清华大学精密仪器系副教授吴冠豪、中山大学电子与信息工程学院教授蔡鑫伦为论文通讯作者。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目和重大科研仪器研制项目、北京市自然科学基金重点研究专题等的资助。
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