华盛顿大学研究人员开发出更小、更便宜的激光雷达技术真相究竟是什么？

　　在物理空间中移动和操作的设备需要传感器来读取其环境。激光雷达（LiDAR）就是这样一种传感技术，它具有许多潜在的应用，但通常太大或太昂贵而不是可行的选择。

　　现在，华盛顿大学的一组研究人员开发出了一种体积小得多、成本低得多、没有移动部件的激光雷达，这一突破可能很快就会成为许多技术的真正游戏规则改变者。

　　LiDAR 代表光检测和测距，是一种已经存在了半个多世纪的 3D 激光成像技术。与雷达（一种类似的基于声音的传感方式）一样，激光雷达扫描整个区域，然后接收并解释反射信号。

　　过去，这些基于激光的系统需要移动部件——这一因素增加了重量、复杂性、耐用性和费用。

　　现在，在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中，威斯康星大学 ECE（电气和计算机工程）研究小组开发了一种利用量子效应在芯片上创建 LiDAR 的方法，这是一种不需要移动部件的轻量级方法。

　　“我们发明了一种全新类型的激光束控制装置，没有任何移动部件，用于扫描激光雷达系统，并将其集成到计算机芯片中，”领导该研究团队的威斯康星大学 ECE 和物理学教授 Mo Li 说。“这项新技术利用芯片表面运行的声音来引导扫描激光进入自由空间。它可以在 100 米外探测三维物体并对其进行成像。”

　　李是 ECE 系的研究副主任和《自然》论文的高级作者。这项研究的大部分实验工作是由博士后学者 Bingzhao Li 和 UW ECE 研究生 Qixuan Lin 完成的。两人都是李领导的华盛顿大学光子系统实验室的成员。

　　李将激光雷达比作在某个区域来回移动的探照灯。这种芯片上激光雷达的巨大区别在于，它发出的激光束可以利用量子效应进行弯曲。

　　光束仅略高于芯片表面，对眼睛安全。同时，采用叉指换能器（IDT）来激发芯片上的声波。产生的振动根据其频率来回“引导”光束，运动可以连续或逐步发生。

　　光束随后从环境中的物体反射，返回到激光雷达，探测器接收光束。然后软件解释这些信息，构建反射物体的图像。

　　该芯片使用研究团队称为“声光光束控制”的技术，产生几千兆赫兹的高频声音脉冲，远远超出了可听范围。这些振动产生一种称为声子（一种量子准粒子）的新兴现象。声子改变组成光束的光子的偏转，像棱镜一样弯曲光束。

　　光的散射主要保留在芯片二维波导的平面内。因此，光穿过由振动产生的量子尺度介质。声子根据其频率改变光束的路线，使其扫过一定角度，形成约 20 度的视场。

　　本质上，振动产生了相当于衍射光栅的效果，声子改变了激光相干光的角度和波长。

　　这是该系统的另一个重要特征，因为波长的变化也对应于频率的变化。发生这种情况是由于一种众所周知的“布里渊散射”效应。因此，光束角度的每个微小差异实际上都被“标记”，因为它具有不同频率的光子。

　　这允许使用单像素相机检测返回的光子。然后可以通过软件处理这些信息以快速构建图像，包括扫描的风景图片。

　　“我们可以从反射激光的‘颜色’来判断其方向，我们将这种方法称为‘频率角解析’，”林启轩说。“我们的接收器只需要一个成像像素，而不是一个完整的相机，就可以对远处的物体进行成像。因此，它比当今常用的激光雷达接收器更小、更便宜。”

　　该系统目前的射程约为110米。然而，自动驾驶汽车以正常高速公路速度行驶时，通常需要大约三倍的行驶里程。目前的范围限制源于系统当前约百分之五的效率。李认为他们还需要一年才能达到 300 米所需的 50% 效率。这个范围可以让时速超过 60 英里的车辆有足够的时间对其路径上的物体和情况做出反应。

　　下一代激光雷达的商业应用包括自动驾驶汽车。尽管特斯拉首席执行官埃隆·马斯克曾说过，自动驾驶汽车不需要激光雷达，但低成本版本可能会否定这一论点。

　　该系统重量的显着减轻也将使其在无人机中更加有用和可行。机器人技术还可以在许多不同领域利用这种新系统，从仓库自动化到军事机器人。较小的规模和缺乏移动部件也为医学成像提供了独特的机会。

　　李莫和李秉昭计划在两到三年内成立一家初创公司，将他们的技术商业化。为此，他们已经从威斯康星大学创业孵化器 CoMotion 和华盛顿研究基金会获得了种子资金。

　　李说：“仅两名学生在大约九个月的时间内就实现了这一目标，这一事实说明了这项技术的美丽和简单。” “从本质上讲，这个设备并不太复杂。这是一个好想法的直接实现，而且很有效。”

　　这篇题为“使用芯片级声光光束控制的频率角分辨激光雷达”的论文于 6 月 28 日发表在《自然》杂志上。该研究得到了美国国家科学基金会的融合加速器计划和美国科学院微系统技术办公室的支持。美国高级研究计划局。