盖世汽车讯 据外媒报道，多伦多大学（University of Toronto）研究人员开发出一种新型激光雷达系统，能够同时测量场景中物体的位置、速度和材料属性。此类信息在机器人技术、自动驾驶和遥感等领域具有广泛的应用价值。
图片来源：多伦多大学
激光雷达利用激光脉冲来测量距离，并构建物体与地形的高精度三维地图。然而，大多数商用激光雷达系统（例如自动驾驶汽车上使用的系统）主要用于测量距离。
“尽管一些新兴的激光雷达技术也能测量速度，但实际环境感知往往还需要了解物体的表面特性，”来自加拿大多伦多大学的Dongyu Du表示，“我们的新系统在每个扫描点仅需一次测量，即可在确保激光功率对人眼安全的前提下，获取毫米级精度的距离、速度及表面材料信息。”
多伦多大学与网络技术公司Ciena Corporation的研究人员在《Optica》期刊上介绍了这种新型激光雷达（LiDAR）系统。该系统结合了创新的分析方法与标准电信设备，能够通过捕捉偏振信息来感知距离、速度及表面材质。
Du表示：“尽管这项工作目前仍处于研究原型阶段，但它为未来的传感系统指明了方向，有望帮助机器更可靠地理解物理世界。这将推动自动驾驶汽车变得更安全，提升机器人性能，改进工业检测，并使传感系统能够在强光眩光、大雾或暴雨等能见度较差的条件下有效工作。”
将电信技术应用于激光雷达
多伦多大学与Ciena公司致力于探索如何将一种被称为“相干光调制解调器”的设备应用于激光雷达。这种已实现量产的调制解调器能够同时测量光的多种特性，包括频率、偏振、相位和振幅。
“相干光调制解调器通过将信息编码到光信号中，在城市乃至跨洲范围内传输互联网数据流量，”Du说道，“因此，它们能够以极高的速度和精度控制及测量光信号，且外形紧凑，还能自然地解决激光雷达所面临的许多传感难题。”
这种激光雷达系统利用相干光调制解调器作为发射器和接收器。这使得系统能够以极高的速度和精度发送并检测光的多种特性，从而在单次测量中获取远超传统激光雷达系统的信息量。
该系统的工作原理是利用激光束照射目标，该激光束在两个正交偏振通道上以极高速度（每秒数百亿次）进行随机调制。
传统激光雷达系统通过测量光发射与返回之间的时间延迟来计算距离，而该新系统还能测量光与目标表面相互作用后偏振特性的变化，从而能够获取距离、速度及材料属性等信息。
提取激光雷达信号
研究人员还开发了一种新方法来解读这些测量数据；这些数据往往难以提取，且容易受到噪声以及激光雷达系统内部光学元件所引起的不可避免的畸变影响。
“以往的系统缺乏相应的计算工具，无法将目标信号与内部畸变分离开来，”Du说道，“我们开发了一种新的偏振感知模型，用于描述光在系统中的传播及其与场景的相互作用；同时，我们还开发了相应的算法，能够将各种效应剥离，从而精确估算出距离、速度及材料特性。”
为了测试该系统，研究人员首先在包含静止和移动物体的受控场景中，将其深度与速度测量结果与其他激光雷达处理方法所得结果进行了对比。
这项新方法在上述两方面均优于现有技术，尤其是在信号微弱的挑战性区域——在这些区域，其他方法往往难以克服噪声干扰。此外，实验还表明该系统在强环境光下也能可靠运行，而强光往往会导致其他偏振激光雷达系统失效。
随后，研究人员展示了该激光雷达系统能够还原常见材料（包括金属、塑料以及具有不同表面粗糙度的物体）的表面材质特性。他们还测量了由激光产生的干涉图样——即偏振散斑（polarization speckle），并证实这些图样包含有关表面粗糙度的信息，从而提供了一种在微观尺度上表征材料特性的方法。
最后，研究人员证明，利用该系统获取的偏振信息有助于实现透过光学厚度高达4.76的散射介质进行成像。这一能力在雾、雨或灰尘导致能见度受限的条件下进行成像时极具应用价值。
目前，研究人员正致力于提升系统的硬件读出带宽、流式采集能力及数据传输速度，以实现对不断变化的动态场景进行更直接、更快速的捕捉。
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