加拿大、美國(guó)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種新型激光雷達(dá)系統(tǒng)，能夠在單次掃描中同時(shí)獲取場(chǎng)景中物體的位置、速度和表面材料屬性。這項(xiàng)技術(shù)將激光雷達(dá)的感知能力從傳統(tǒng)的距離測(cè)量拓展到了更豐富的維度，對(duì)自動(dòng)駕駛、機(jī)器人技術(shù)和遙感等領(lǐng)域具有重要意義。該研究發(fā)表于新一期《光學(xué)》雜志。

激光雷達(dá)通過(guò)發(fā)射激光脈沖來(lái)測(cè)量距離，并生成高精度的三維地圖。但目前絕大多數(shù)商用系統(tǒng)，例如自動(dòng)駕駛汽車上搭載的設(shè)備，主要功能仍是測(cè)距。加拿大多倫多大學(xué)與美國(guó)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)公司Ciena的團(tuán)隊(duì)合作，將原本用于遠(yuǎn)距離光纖通信的相干光學(xué)調(diào)制解調(diào)器改造為激光雷達(dá)的核心部件。這種大規(guī)模生產(chǎn)的設(shè)備能以極高速度和精度控制和測(cè)量光的多種屬性，包括頻率、偏振、相位和振幅，天然適合解決激光雷達(dá)面臨的諸多感知難題。

新系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)兩個(gè)正交偏振通道，以每秒數(shù)百億次的速率向目標(biāo)發(fā)射隨機(jī)調(diào)制的激光束。除了傳統(tǒng)方法依賴的時(shí)間延遲計(jì)算距離外，系統(tǒng)還能捕捉激光與目標(biāo)表面相互作用后偏振特性的變化。通過(guò)分析這些變化，系統(tǒng)可以同時(shí)獲取目標(biāo)的距離、運(yùn)動(dòng)速度以及表面的材料特征。

為了從復(fù)雜數(shù)據(jù)中提取有效信號(hào)，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一套全新的偏振感知模型和相關(guān)算法。這個(gè)模型能夠?qū)⒂杏玫男盘?hào)與系統(tǒng)內(nèi)部光學(xué)元件造成的畸變和噪聲分離開(kāi)來(lái)，最終獲得清晰的距離、速度和材料性質(zhì)估算。

新系統(tǒng)的測(cè)距和測(cè)速結(jié)果，在各類場(chǎng)景下均表現(xiàn)出色，尤其在信號(hào)較弱的區(qū)域，其性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。其在強(qiáng)環(huán)境光干擾下依然能夠穩(wěn)定工作，而強(qiáng)光往往是其他偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)的致命弱點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)顯示，該系統(tǒng)能夠識(shí)別日常物體的表面材料屬性，包括金屬、塑料以及表面粗糙度不同的物品。同時(shí)，激光產(chǎn)生的偏振斑點(diǎn)圖案，還攜帶著表面粗糙度信息，為微觀尺度的材料表征提供了新手段。系統(tǒng)獲得的偏振信息有助于透過(guò)光學(xué)厚度達(dá)4.76的散射介質(zhì)進(jìn)行成像，這意味著在霧、雨或揚(yáng)塵等低能見(jiàn)度條件下，該系統(tǒng)具備更強(qiáng)的適應(yīng)能力。