长三角G60激光联盟陈长军导读
光探测和测距(LiDAR)由于卓越的成像分辨率和测距范围，正迅速成为智能自动化系统（包括自动驾驶汽车和机器人）不可或缺的光学感知技术。当前，各种波束控制技术已经发展起来，包括光学相控阵、空间光调制、焦平面开关阵列、色散频率梳和光谱时间调制。然而，许多此类系统不仅体积庞大，而且脆弱昂贵。下一代激光雷达系统的发展迫切需要一种非机械光束导向系统来扫描空间激光束。
最近，美国华盛顿大学研究人员报道了一种片上声光波束控制技术，该技术仅使用单个千兆赫声波换能器将光束引导到自由空间。在布里渊散射中，将不同角度引导的光束标记为独特的频移，该技术使用单个相干接收器来解析物体在频域中的角度位置，并实现频率-角度分辨激光雷达。
研究人员演示了一个简单的结构装置、波束转向控制系统和频域检测方案。该系统实现了18°视场、0.12°角分辨率、115 m测距距离的调频连续波测距。该演示可以扩展到阵列，实现具有宽二维视场的微型，低成本的频率角分辨率LiDAR成像系统。这一研究代表了激光雷达在自动化、导航和机器人领域广泛应用的重要一步。
研究人员提出的频率角分辨(FAR)激光雷达，如图1a所示，它由一个使用声光光束控制(AOBS)的发射器和一个相干接收器组成，用于测量反射光的频率。研究人员通过基于芯片级AOBS设备的FAR LiDAR原型系统进行演示。
该技术亮点：
第一，由于物体的角度位置由反射光的频率“标记”，接收器可以在频域内对物体进行完全成像。因此，这种新颖的方案允许发射器和接收器在双基地配置中分离并异步操作，为设计接收器提供了很大的灵活性，以提高信噪比(SNR)和检测速度。
第二，AOBS使用一个单一的微波驱动器来激发声波，声波的频率决定了转向角度。随机存取是通过在系统带宽范围内任意改变驱动频率来实现的。
第三，AOBS使用相干声波，这样不同频率的多个声波可以在设备中共传播，从而同时将光引导到多个方向。因此，可以实现多波束的并行扫描和检测。
第四，由于使用的声波频率在GHz范围内，FAR LiDAR提供了足够的带宽来执行调频连续波(FMCW)进行相干测距。将FAR和FMCW相结合，可以实现全三维(3D)成像。
图1:基于AOBS和芯片级器件的FAR LiDAR原理图。a、基于AOBS的FAR LiDAR方案示意图。b、声光布里渊散射过程色散图。c、LNOI芯片与10个AOBS器件的图片。d, IDT的扫描电镜图像。e, AOBS过程的有限元模拟表明，光在距离表面30°的位置散射到空间中。
AOBS装置的波束导向结果如图2所示。采用光纤耦合近红外二极管激光器作为光源。
图2:AOBS和多波束产生的表征。
研究人员演示了二维激光雷达成像。图3a显示了FAR LiDAR系统的原理图。发射器包括一个固定波长的光纤耦合激光源，一个用于FMCW的EOM(如图4所示)和一个由射频源驱动的AOBS装置来引导光束。图3b显示了当AOBS扫描光束穿过视场时，接收器处跳动信号的光谱。利用图2所示的测量频率-角度关系，可以将跳动频率转换为物体的角度，重建出物体的图像。图3c是哈士奇狗标志的远激光雷达图像。图3d,e显示了两个像素的信号，分别以1.6575 GHz和1.7125 GHz为中心。研究人员还测量了AOBS的点对点切换速度。(橙色，d;紫色,e)
图3:二维FAR LiDAR成像。
为了实现三维成像，研究人员在远激光雷达中加入了FMCW测距。
图4:FMCW和FAR LiDAR的三维成像。
总之，研究人员使用由AOBS设备启用的FAR和FMCW激光雷达方案的3D成像。AOBS独特地改变了转向光的角度和频率，从而实现了频域成像。单个AOBS原型具有1.5 μs的电子限制开关速度，当高速探测器用于飞行时间或FMCW检测时，对应于每秒67万像素的成像速率。如果使用16个通道(图2e)进行成像，一个AOBS设备提供的成像速率超过每秒1000万像素。该系统的性能还有很大的改进空间。
在圆柱透镜的焦平面上放置一组AOBS器件(图1c)可以实现二维扫描，每个器件独立扫描以覆盖水平维度，如图4g所示。在接收器中，使用相干接收器阵列或光纤束来收集视场内的光可以大大提高收集效率。先进的IDT设计，如单相单向换能器(SPUDTs)，可以增加声带宽，从而增加视场和波束导向效率。通过使用更高质量的材料平台，可以减少声损失，从而实现更大的孔径。此外，FMCW所需的电光调制器也可以在LN平台上协集成(图4)，从而形成一个完全单片的发射机模块。
图5：:装置示意图。
图6：更远距离激光雷达成像演示。
通过这些改进和创新，一个多元素、芯片级的AOBS系统可以提供覆盖大视场的高效二维波束转向。器件结构简单、波束转向控制简单、频域分辨能力强、外形尺寸小、成本低等优点使所演示的AOBS激光雷达成为一种很有发展前景的技术。
相关论文链接：
Frequency–angular resolving LiDAR using chip-scale acousto-optic beam steering
DOI https://doi.org/10.1038/s41586-023-06201-6
