盡管沃爾沃表示將在2022年之前將Luminar的激光雷達(dá)（LiDAR）模組集成到其部分汽車中，但Elon Musk并不關(guān)心激光雷達(dá)；激光雷達(dá)是基于光的回波定位技術(shù)，在概念上與雷達(dá)相似。雷達(dá)與激光雷達(dá)最大的區(qū)別在于：雷達(dá)是基于無線電波，其頻率比激光雷達(dá)使用的光波頻率要低得多。低頻波在霧、煙、霾、雨、雪等惡劣環(huán)境中探測能力更強(qiáng)。當(dāng)存在這樣的環(huán)境障礙物時，光波就不能很好地發(fā)揮作用。

與雷達(dá)相比，激光雷達(dá)的優(yōu)勢在于可以創(chuàng)建更精確的物體表征（圖像）。但目前的激光雷達(dá)傳感器模組價格昂貴，每臺售價高達(dá)上萬美元。更糟糕的是，激光雷達(dá)的視場往往相對狹窄，這意味著需要同時使用多個模組，以確保引導(dǎo)自動駕駛汽車安全地行駛。

想象一下，如果一款廣角激光雷達(dá)的成本只有幾百美元，這將推動自動駕駛汽車時代的到來！目前有兩支研究團(tuán)隊表示，他們所研發(fā)的產(chǎn)品正在接近這個目標(biāo)。本文將介紹這兩支團(tuán)隊針對激光雷達(dá)的最新研究進(jìn)展。

東芝團(tuán)隊的研究進(jìn)展

介紹東芝的激光雷達(dá)研究并非因?yàn)槠溲芯績?yōu)于其他公司，而是由于東芝是一家公認(rèn)的電子產(chǎn)品制造商，并在量產(chǎn)產(chǎn)品制造方面擁有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)。東芝宣稱“東芝的先進(jìn)光接收技術(shù)可使固態(tài)激光雷達(dá)不再依賴機(jī)械部件。”東芝表示，其新款激光雷達(dá)擁有緊湊、成本低、安裝簡單等優(yōu)勢，適用于各類汽車應(yīng)用。

由于不再依賴笨重的機(jī)械部件，該技術(shù)節(jié)省了成本和空間，同時還提升了運(yùn)行可靠性。其核心技術(shù)便是東芝專有的緊湊型高效硅光電倍增管（SiPM）。一般來說，SiPM具有很高的光敏性，因此適于遠(yuǎn)距離探測。

然而，由SiPM組成的光接收單元在被觸發(fā)后需要一定的恢復(fù)時間，另外在強(qiáng)環(huán)境光條件下也需大量的光接收單元，這是因?yàn)樗鼈儽仨毦哂袀溆脝卧拍芗皶r對反射的激光做出響應(yīng)。東芝的SiPM采用一種晶體管電路來重啟單元，以縮短恢復(fù)時間。該光接收單元工作效率更高，所需單元數(shù)量更少，因此SiPM尺寸更小，如圖1所示。這樣就在保持高靈敏度的同時實(shí)現(xiàn)了更高分辨率的SiPM陣列，如下圖所示。

SiPM小型化

SiPM陣列

該激光雷達(dá)原型的現(xiàn)場測試使用了市售鏡頭（從廣角鏡頭到長焦鏡頭），此次測試證明該系統(tǒng)的有效距離最遠(yuǎn)可達(dá)200米。這是目前在售固態(tài)激光雷達(dá)系統(tǒng)可達(dá)探測距離的四倍，同時還保持了高分辨率。

使用市售鏡頭免除了復(fù)雜的定制程序，從而使該激光雷達(dá)系統(tǒng)可應(yīng)用于各類自動駕駛汽車。這項技術(shù)與生具有的緊湊性使其可在車輛的許多位置安裝，而以往選擇激光雷達(dá)的安裝位置也是重大挑戰(zhàn)；這還將擴(kuò)大激光雷達(dá)在汽車領(lǐng)域以外的應(yīng)用。東芝計劃在2022年開始生產(chǎn)其新款緊湊型激光雷達(dá)模組。

美國CU-Boulder團(tuán)隊的研究進(jìn)展

科羅拉多大學(xué)博爾德分校（University of Colorado Boulder，簡稱CU-Boulder）的研究人員也表示，他們在激光雷達(dá)技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展。研究成果以題為“Serpentine optical phased arrays for scalable integrated photonic lidar beam steering”發(fā)表于Optica。研究人員表示，他們一直在研究一種激光束操縱的新方法，被稱為“光波操縱（wavelength steering）”，即為每種激光波長（或光的顏色）指向某個特定的角度。

CU Boulder的研究者開發(fā)出一種方法，可同時沿兩個維度（代替了一個維度）并使用“彩虹”模式來拍攝3D彩色圖像。由于光束易通過改變顏色來控制，因此可通過同時控制多個相控陣來產(chǎn)生更大的孔徑和更高分辨率的圖像。“我們已經(jīng)找到了如何將這種2D彩虹放入極小尺寸芯片中的方法。”這項研究的共同作者、電子和計算機(jī)工程教授Kelvin Wagner表示。

“電子通信已到了絕對極限。光學(xué)必將發(fā)揮巨大作用，這就是眾多大廠商均致力于硅光子學(xué)技術(shù)工業(yè)可行性研究的原因。”這項研究的共同作者、波士頓大學(xué)（Boston University）工程學(xué)副教授Milo? Popovic表示。這些硅芯片的制造工藝越簡單、尺寸越小，同時還能在成像中保持高分辨率和精度，它們就能應(yīng)用于更多的技術(shù)場景，如自動駕駛汽車和智能手機(jī)。據(jù)說，iPhone 12將采用激光雷達(dá)技術(shù)來增強(qiáng)面部識別。

“我們提出了一種利用芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)可擴(kuò)展性的方法。而這僅是第一步，是該方法的第一塊基石。”這項研究的第一作者Nathan Dostart認(rèn)為，“該研究還有很長的路要走。”Nathan Dostart將在NASA位于美國Virginia的蘭利研究中心（Langley Research Center）繼續(xù)其研究。