宽视场元表面增强扫描激光雷达有望用于自动驾驶汽车技术

超快高 FoV 元表面激光雷达的结构。(a) 激光雷达的发射和扫描模块。(b) 元表面样品的 SEM 图像；(c) 元表面功能概念；(d) 激光雷达成像方案。资料来源：Advanced Photonics (2023)。DOI: 10.1117/1.AP.5.4.046005

脉冲激光扫描激光雷达是自动驾驶和机器人移动的核心技术。脉冲激光扫描激光雷达是自动驾驶和机器人移动的核心技术。在这种技术中，定向光脉冲被反射物体反向散射，脉冲发射和探测之间的时间间隔被用来计算深度。通过对返回光脉冲的直接飞行时间（d-ToF）测量，可对复杂场景进行三维成像。

目前，激光雷达技术需要进行大量开发，包括以高角度分辨率增强观测视场（FoV），提高成像帧频，通过降低信噪比（SNR）扩大模糊范围，以及降低制造成本和减小组件尺寸，才能在全球市场上进行大规模工业应用。

法国蔚蓝海岸大学的 Patrice Genevet 小组提出了一种创新解决方案，以解决激光雷达技术的一些局限性，并满足汽车激光雷达的苛刻要求。他们的研究成果发表在《先进光子学》上。

研究人员展示了一种超快速高视场角脉冲元表面扫描激光雷达的实验原型。它使用由声光偏转器（AOD）调制的激光二极管，并将其与元表面级联，从而将水平和垂直方向的视场角提高到 150°。此外，元表面的光学特性会不断变化，以扩大偏转器的窄视场角。最后，系统的探测部分采用了高灵敏度的光电探测器，并通过模数转换器进行数字化处理。

脉冲扫描激光雷达虽然物理原理简单，但通常信噪比较低，对于模糊范围（即最大可测量距离）内较远的物体精度较差。此外，d-ToF 成像技术还需要在模糊范围和速度之间做出权衡。认识到这些问题后，研究人员提出了一种新的成像技术，以弱化脉冲扫描激光雷达中的上述权衡。

受码分多址（CDMA）脉冲编码方法--一种传统上用于电信理论的多路复用照明技术--的启发，成像过程利用了 AOD 的高扫描速度，而不影响模糊范围或结构的简单性。这种技术可在低信噪比环境下成像。

实验结果表明，与传统的单脉冲激光雷达相比，块 CDMA 技术将激光雷达的模糊范围扩大了 35 倍，达到千米距离。它还提高了激光雷达图像的信噪比，使其在嘈杂环境中或更远距离上发挥更好的性能。

研究人员强调，新的扫描激光雷达系统利用了元表面的功能，几乎满足了汽车激光雷达的要求，并有望实现新的应用。该系统结构紧凑，有可能缩小到芯片级尺寸。这种微型化将为自动驾驶汽车和机器人产业带来新的可能性和令人兴奋的前景。

这项研究为下一代高速激光雷达提供了一个坚实的框架，提供了对新功能的见解，并为更多新颖的尖端技术打开了大门。科学进步改善了更平稳的自动驾驶和自适应机器人的前景。
 

参考资料

Emil Marinov et al, Overcoming the limitations of 3D sensors with wide field of view metasurface-enhanced scanning lidar, Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.4.046005