Физики создали когерентный лидар нового поколения

Группа физиков из Швейцарии создала прототип лидара на основе множества параллельных когерентных волн. Представленное устройство работает быстрее современных лидаров и более устойчиво к внешним шумам. Работа представлена в журнале Nature.

Лидар (LiDAR) служит для измерения расстояний и скоростей объектов с помощью лазера. Основной принцип работы этих устройств основан на анализе временной задержки между передаваемыми и принимаемыми сигналами. В последние годы интерес к лидару подогревается развитием беспилотных автомобилей, где необходимо быстро распознавать и классифицировать объекты в условиях не самой лучшей видимости: по сравнению с обычными камерами, лидар может эффективно распознавать объекты при плохом освещении или плохих погодных условиях. В последнем ему помогают алгоритмы фильтрации. Также лидары активно применяются в устройствах дополненной реальности.

Существует два основных типа лидаров: работающие по принципу time-of-flight и использующие когерентные свойства лазера. Большинство современных устройств полагается на измерения time-of-flight, где расстояние до объекта определяется с помощью прямого измерения временной задержки между передаваемым и принимаемым лазерными импульсами. Такой метод часто использует несколько импульсов параллельно для объемного считывания, а информация о скорости объекта может быть получена только с помощью последовательных процессов передачи-отражения-измерения сигнала. Из-за множества последовательных измерений определение скорости становится трудной задачей, ведь в каждой итерации есть шум, который уменьшает эффективность устройства.

Другой тип измерения расстояния и скорости, когерентные лидары, посылает частотно-модулированные непрерывные волны на объект, а информация об отраженном сигнале определяется с помощью гомодинирования. Когерентные лидары обладают многими преимуществами, такими как повышенное разрешение на расстоянии, определение скорости с помощью эффекта Доплера (что можно сделать за одну итерацию) и устойчивость к шумам, таким как солнечный свет, помехи и сигналы других лидаров. Однако, основная техническая трудность заключается в распараллеливании сигнала лидара на основе непрерывных волн.

Группа физиков из Федеральной политехнической школы Лозанны под руководством профессора Тобиаса Киппенберга (Tobias J. Kippenberg) представила новую реализацию параллельного лидара с использованием нелинейной фотонной системы — высокодобротного резонатора из нитрида кремния, в котором лазерный луч преобразуется в стабильную оптическую последовательность импульсов.

Для создания последовательности волн из одного лазерного луча исследователи модулировали основную несущую частоту во временной области, что соответствует одновременной модуляции оптической частоты каждого пика импульса вокруг его среднего значения в частотной области. Этот эффект, в сочетании с частотной модуляцией лазера накачки, генерирует параллельные непрерывные волны, каждая из которых представляет собой независимый лидарный канал.

Малый размер резонатора ведет к тому, что волны расположены на расстоянии 100 гигагерц друг от друга, что достаточно для того, чтобы их различить с помощью стандартной дифракционной оптики. Физикам удалось создать до 30 независимых лидарных каналов.
В качестве примера исследователи рассмотрели крутящееся колеса и с помощью построенного лидара успешно определили расстояние и скорость вращения.

Более того, ученые провели 3D сканирования эмблемы Федеральной политехнической школы Лозанны EPFL. Полученные результаты показывают, что разработанный лидар можно использовать для записи и создания 3D моделей.

Ранее мы писали о том, что Яндекс разработал лидары для беспилотных автомобилей и роботов-доставщиков, а новое поколение беспилотных автомобилей Waymo может разглядять знак STOP за полкилометра в том числе благодаря высокоточному лидару.

Михаил Перельштейн