紧凑的非机械式3D激光雷达系统可以使自动驾驶更安全

研究人员开发了一种新的非机械3D激光雷达系统，其大小相当于名片（见左侧系统前面），该系统使用双调制表面发射光子晶体激光器（DM-PCSEL）作为闪光灯和光束扫描源

我们的道路有一天可能会更安全，这要归功于一种克服了激光雷达一些局限性的全新系统。激光雷达使用脉冲激光来绘制物体和场景，帮助自主机器人、车辆和无人机导航环境。新系统首次将传统光束扫描激光雷达系统的功能与称为闪光激光雷达的新型3D方法的功能相结合。

在Optica杂志上，由日本京都大学的Susumu Noda领导的研究人员描述了他们新的非机械3D激光雷达系统，该系统适合手掌。他们还表明，它可用于测量反射不良物体的距离并自动跟踪这些物体的运动。

“借助我们的激光雷达系统，机器人和车辆将能够可靠、安全地导航动态环境，而不会忽视黑色金属汽车等反射不良的物体，”Noda说。“例如，将这项技术整合到汽车中将使自动驾驶更安全。

由于研究人员开发了一种称为双调制光子晶体激光器（DM-PCSEL）的独特光源，新系统成为可能。由于这种光源是基于芯片的，它最终可以实现片上全固态3D激光雷达系统的开发。

Noda说：“DM-PCSEL将非机械电子控制光束扫描与闪光激光雷达中使用的闪光照明集成在一起，只需一次闪光即可获得完整的3D图像。“这种独特的光源使我们能够实现闪光灯和扫描照明，而无需任何移动部件或笨重的外部光学元件，例如透镜和衍射光学元件。

结合扫描和闪光照明

激光雷达系统通过用激光束照亮这些物体来映射视野中的物体，然后通过测量光束的飞行时间 （ToF） 来计算这些物体的距离——光传播到物体、被反射然后返回系统所需的时间。大多数正在使用和正在开发的激光雷达系统都依赖于电机等运动部件来扫描激光束，这使得这些系统体积庞大、昂贵且不可靠。

一种称为闪光激光雷达的非机械方法，通过单个宽阔的漫射光束同时照亮和评估视野中所有物体的距离。然而，闪光激光雷达系统不能用于测量反射率差的物体（如黑色金属汽车）的距离，因为这些物体反射的光量非常少。由于产生闪光光束所需的外部透镜和光学元件，这些系统也往往很大。

（a） 相机图像显示一个高反射性白色物体和两个反射性差的黑色物体进行距离测量。（b）：新激光雷达系统仅使用闪光激光源获得的距离测量结果表明，无法测量黑色物体的距离。（c）：使用闪光和光束扫描激光源的新激光雷达系统获得的测量结果能够同时推断出黑白物体的距离。

为了解决这些关键限制，研究人员开发了DM-PCSEL光源。它既有一个可以照亮30°×30°宽视野的闪光光源，还有一个光束扫描源，可提供100个窄激光束的点照明。

他们将DM-PCSEL集成到3D激光雷达系统中，这使他们能够使用宽闪光灯照明同时测量许多物体的距离，同时还可以选择性地用更集中的光束照亮反射率低的物体。研究人员还安装了ToF相机来执行距离测量，并开发了软件，可以使用光束扫描照明自动跟踪反射不良物体的运动。

测量具有不同反射率的物体

“我们基于 DM-PCSEL 的 3D 激光雷达系统使我们能够同时测量高反射和低反射物体，”Noda 说。“激光器、ToF相机和操作系统所需的所有相关组件都以紧凑的方式组装，因此系统总占用空间比名片还小。”

研究人员展示了新的激光雷达系统，用它来测量放置在实验室桌子上的反射不良物体的距离。他们还表明，该系统可以自动识别反射不良的物体，并使用选择性照明跟踪它们的运动。

研究人员现在正在努力在实际应用中演示该系统，例如机器人和车辆的自主运动。他们还想看看用光学灵敏度更高的单光子雪崩光电二极管阵列替换ToF相机是否允许在更长的距离上测量物体。