超快光子学有什么用
近日，美国加州大学洛杉矶分校电子与计算机工程系团队设计并搭建了基于时间展宽的光谱扫描飞行时间测距的3D激光雷达相机，最快可以实现1MHz的一维成像和无惯性扫描。
这项技术可应用在自动驾驶、清洁技术(风力涡轮机)、工业自动化和面部识别等众多领域。
02
背景介绍
在无人驾驶的汽车上，对面一辆汽车迎面驶来，车辆如何在极短时间内获得对面车辆的形状，距离和速度，从而做出判断呢？
高分辨率的三维成像技术正是目前研究的热门课题。
激光雷达(light detection and ranging, LiDAR)作为无线电雷达(radio detection and ranging, RADAR)的有力补充，正在成为测距和测速领域的重要技术。
传统的光雷达使用机械扫描的方式进行成像，这种方式不仅成像速度慢，而且体积笨重。
受到微波相位阵列天线的启发，光相位阵列的方法也可以应用在激光雷达当中。
但是使用光相位阵列的方法也会存在困难：光的相位难以控制，而且由于光波导的非线性效应不能应用于脉冲光源；在激光雷达中，极弱的回波信号意味着只能用APD或者PMT的单探头进行探测，由于APD和PMT阵列实现困难，图像重建需要较长时间，所以激光雷达技术难以应用于实时应用。
如果使用宽带脉冲激光器编码光谱的方法，就需要光谱仪进行探测，大大增加了系统的成本和复杂度。
之前Bahram Jalali课题组发明的光子时间展宽的方法虽然成功应用于显微镜中，但是并没有提供轴向信息，而且激光功率会分散到整个视野，在激光雷达中是很难收集到反射回来的光功率。
为了解决这些问题，作者使用光谱-时间调制器将宽带激光源转换为不同频率在固定时间间隔的脉冲串(图1)，然后再通过空间色散照射到不同的位置，这样就保证了每个位置上都有足够高的功率。
不同的波长代表着不同的空间位置信息，处在不同的时间窗口(ΔT)，距离信息则通过回音脉冲和照射脉冲的时间延迟(δT)进行确定。
图1. 时间拉伸激光雷达
文章提供了两种实现时间展宽的光谱扫描飞行时间测距的激光雷达的实现方式(图2)。
第一种技术是使用最初为相控阵天线中的波束控制开发的技术，生成光谱时间编码照明。来自超连续谱激光器的宽带脉冲，由阵列波导光栅(AWG)光解复用(DeMUX)成多个波长，分别由不同长度的单模光纤进行延迟，并且每一路由可变光衰减器(VOA)均衡，最终由具有对称传输光谱的多路复用器(MUX)组合。
第二种技术是使用傅里叶域的锁模激光源(FDML)的制备激光雷达。激光器产生一个啁啾准连续波，由电光调制器(EOM)产生光谱时间编码的脉冲序列。
在这两种方法中，产生的脉冲序列被光纤的光放大器放大到高峰值功率，用于下一阶段进行传感。
图2. 激光雷达的两种实现方法
03
创新研究
文章分别对两种方法进行了场景演示。
第一种方法是基于时间延迟方法的激光雷达进行无惯性成像。
如图3所示，时间延迟方法产生的脉冲序列在自由空间衍射，以提供水平方向上的光谱时间编码的线照明。结果显示超快激光雷达成像速度为每秒一百万行，最大探测范围为5m，视场为7°。
通过使用弯曲的照明，进行凹视野成像，可以压缩数据量，在提高成像速度的同时降低平均照明功率。图中目标尺寸是H×W×D=10×10×20cm³，它位于距离激光雷达的1m。
图3. 基于时间延迟方法的激光雷达成像
第二种方法使用FDML激光器以0.342 MHz重复率产生光谱时间脉冲，以提供水平方向的无惯性扫描，并且用机械扫描垂直方向。
与图3中相同的目标位于远离激光雷达系统的0.8 m。a ,b,激光雷达成像，每条水平线256个像素，样本间距均匀， FOV为9°。
通过对数字脉冲调制模式进行编程来更改光谱时间编码照明模式，实现了动态适应目标的灵活成像参数。
通过有效地将更多的像素分配给感兴趣的区域，可以用少于四倍的数据捕获相同的场景，从而减轻数字处理和存储要求。
所有显示的测量值都是不平均的单次测量得到的成像数据。
图4. 基于FDML实现的激光雷达成像
这篇文章中，作者提出了光谱扫描飞行时间激光雷达，并演示了它的两种不同的实现方式，具有约MHz的线扫描速、高分辨率、单次操作和自适应凹视场的优越性能。
系统利用了一个离散的时间扩展光源和一个单像素检测器。
这种方法通过使用二维衍射装置，或者光纤阵列的方法可以扩展到二维无惯性成像。
同时作者还指出，为了进一步提高激光雷达的探测范围，时间展宽激光雷达可以与最近提出的光学动态范围压缩相结合，在第二种实现方式中，FDML激光器的带宽提升也可以提高探测范围。
或许在不久的未来，我们会乘坐在无人驾驶的汽车上吃着炸鸡喝着啤酒，而车顶，就安装着激光雷达为我们保驾护航。
该文章被发表在Nature子刊《Nature Photonics》，题为“ Time-stretch LiDAR as a spectrally scanned time-of-flight ranging camera ”，Yunshan Jiang和Sebastian Karpf为文章的共同第一作者和通信作者。
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