一种由MIT设计的全新激光雷达芯片利用专门设计的天线来减少干扰并扩大传感器的视场。
从行驶在拥挤街道上的自动驾驶汽车到调查灾区的无人机，激光雷达已经成为帮助机器感知三维世界最重要的技术之一。通过发射快速的红外光脉冲并测量其反射，激光雷达系统可以实时构建其周围环境的高度详细地图。
但如今最强大的激光雷达传感器往往伴随着主要缺点：它们体积庞大、价格昂贵，且依赖于随着时间推移可能会磨损的移动机械部件。
MIT的研究人员现在展示了一种潜在的解决方案。他们开发了一种全新的硅基光子芯片，可以实现无移动部件的紧凑、耐用激光雷达系统。硅基光子学利用半导体技术来操纵光而不是电，这为体积更小、价格更便宜且更容易大规模制造的激光雷达传感器打开了大门。
该插图展示了由MIT研究人员开发的一种集成天线阵列（右），它能最大程度地减少在标准天线阵列（左）中可能发生的无用串扰。这项创新可以使激光雷达芯片在保持低噪声运行的同时，扫描更广泛的视场。图片来源：Amy Pan 和 Sampson Wilcox
硅基光子激光雷达面临的最大障碍之一是其有限的视场。现有的基于芯片的系统很难进行宽角度扫描，而扩展其覆盖范围的方法通常会引入噪声并降低测量精度。
为了克服这一挑战，MIT团队设计了一种集成天线阵列，该阵列大大减少了相邻天线之间被称为串扰的无用干扰。他们的方法允许激光雷达芯片扫描更广泛的区域，同时保持要求严格的应用（如自动驾驶汽车、航空测绘和施工现场监测）所需要的低噪声、高精度性能。
固态激光雷达可变革自主导航
这一突破可以支持用于自动驾驶、航空测量和施工现场监测等应用的先进激光雷达传感器的开发。
“我们在本项工作中展示的功能解决了集成光学相控阵技术的一个根本性问题，使未来的激光雷达传感器能够实现比我们此前所能展示的显著更高的性能，”MIT电子工程与计算机科学系（EECS）Robert J. Shillman职业发展副教授、电子学研究实验室成员、以及关于该创新论文的资深作者Jelena Notaros说道。
该论文的第一作者是EECS的研究生Henry Crawford-Eng。其他共同作者包括EECS的研究生Andres Garcia Coleto、Benjamin M. Mazur、Daniel M. DeSantis和Tal Sneh。这些发现发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。
传统的激光雷达系统通常依赖于一个旋转单元向多个方向发射光脉冲。反射的光线返回到传感器，使系统能够重建环境地图。
硅基光子激光雷达如何引导光线
与之不同，硅基光子激光雷达系统利用集成光学相控阵（OPA）以电子方式引导光线，从而消除了对移动部件的需求。
一个OPA包含一系列集成天线，这些天线沿其表面具有微小的周期性波纹。这些波纹将输入的光线从光子芯片向上和向外散射。
通过改变发送到每个天线的光的相位，研究人员可以控制发射光束的方向并以电子方式引导它。
然而，将天线放置得太近会产生它们之间的干扰，导致发射的光线发生畸变。为了避免这种情况，工程师通常会将天线隔得更远，但这又创造了另一个问题。
栅格瓣限制了视场
当天线间距过宽时，阵列会在不同的角度产生光束的多个副本。结果，主光束只能在有限的范围内被引导，之后它就会变得与相邻光束无法区分。
“这限制了我们的视场，因此自动驾驶汽车现在只能了解其前方特定角度范围内的情况，”Garcia Coleto解释道。
这些被称为栅格瓣（grating lobes）的重复光束会混淆传感器，产生虚警（假阳性），并浪费能量。
为了解决这个问题，MIT的研究人员设计了减少串扰的天线，这些天线可以放置得更近，而不会产生显著的干扰。
MIT减少串扰的天线创新
在传统的OPA中，每个天线都使用相同的几何形状和波纹图案，这在天线紧密排列时会导致强烈的耦合。
MIT团队通过创建三种具有不同宽度和波纹排列的不同天线设计解决了这一问题。这些差异赋予了每个天线独特的传播系数，这会影响光通过它的方式。
“由于天线具有非常不同的传播系数，当我们把它们靠得很近时，基本上每个天线都‘看不见’它旁边的天线。因此，它不会与它的邻居耦合，”Garcia Coleto说。
即使具有不同的传播特性，天线仍然需要以均匀的方式发射光线。
专为均匀光束发射而设计的天线
研究人员精心设计了这些天线以满足三个要求。
每个天线必须发射相同数量的光，对于给定的波长在相同的角度引导光束，并且在光束跨阵列引导时一致地改变发射角度。
“我们面临着这样的挑战：我们需要天线具有不同的几何形状以减少串扰，但我们同时需要设计天线使其具有相同的发射特性。虽然设计这一点是可能的，但这极其困难，因为通常情况下，当设计具有不同几何形状的天线时，它们往往表现得不同，”Crawford-Eng说。
该团队首先开发了描述辐射模式如何相互作用的电磁理论，然后利用这些发现来设计和模拟天线。
实验结果展示了重大的性能提升
利用这种方法，研究人员构建了一个天线间距比传统系统紧密得多的OPA，并对该设备进行了实验测试。
在传统的OPA中，在类似条件下的耦合将达到大约100%。而在MIT的系统中，耦合下降到了大约1%，同时仍然产生单一、精确的光束。该设计还实现了在广泛视场内的精确光束引导，且不会产生栅格瓣。
研究人员现在计划进一步改进该技术，以进一步扩大视场。他们还在研究在开发基础理论时涌现的另一种实现宽角功能的可能解决方案。
“这项工作解决了集成光学相控阵中一个长期存在的挑战：同时实现宽视场（这需要密集的天线间距）和高光束质量（这需要相邻天线之间的低串扰）。作者们用一种优雅的天线设计解决了这个问题。他们的创新是朝着芯片级、固态光束引导技术迈出的重要一步，”多伦多大学电气与计算机工程教授、马克斯·普朗克微结构物理研究所所长Joyce Poon表示（她未参与这项工作）。
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