从眼睛成像中学习的技巧使视频速率激光雷达成为可能

杜克大学的研究人员利用眼睛成像的经验，开发了一种高精度、高速的激光雷达（光探测和测距）系统，他们声称该系统比以前的激光雷达快25倍。这为该系统提供了与摄像机相当的帧速率，大大提高了其在无人驾驶汽车和机器人等自主技术成像系统中的应用潜力。

图1，高速成像：激光雷达的一种新方法可以足够快地处理数据，以捕获对自动驾驶车辆和制造系统非常重要的特征。（来源：钱若冰，杜克大学）

实时、高分辨率的3D成像在许多领域都是可取的，包括生物医学成像、机器人、虚拟现实、3D打印和自动驾驶车辆。目前，激光雷达是自主系统研究的热点。大多数激光雷达系统都基于飞行时间：它们发出激光脉冲并测量反射返回所需的时间，利用这些信息绘制周围环境。

近年来，为了提高激光雷达的速度，减少环境光引起的误差，研究人员一直在研究调频连续波（FMCW）激光雷达。这项技术与传统的激光雷达类似，但系统会不断改变或调制激光的频率。当反射光返回时，除了测量所用时间外，系统还分析其相位如何变化，这提供了更精确的距离测量。调制激光器产生的频率模式也使系统更容易区分反射的激光与其他光源。

FMCW激光雷达与医学成像技术扫描源光学相干层析成像（OCT）具有相似的工作原理。扫描源OCT主要用于眼科获取视网膜的高分辨率横截面图像。这项技术使用一种扫描频率范围的激光来实现眼底深度为几毫米的三维立体成像。

近年来，多项发展有助于提高扫描源OCT的射程、速度和分辨率。在他们的最新工作中，生物医学工程师约瑟夫·伊扎特（JosephIzatt）及其同事将他们从OCT中学到的一些经验应用于创建高速高精度FMCW激光雷达。他们在《自然通讯》中讨论了他们的研究结果。

首先，研究人员使用了一种无动力的全半导体扫描源。这消除了产生激光频率扫描的机制中任何形式的机械运动。过去，此类技术已被证明可以扩展OCT和FMCW激光雷达的成像范围。

由于使用机械反射镜或其他机电系统，许多FMCW激光雷达系统的扫描速度有限，这些系统用于移动激光束穿过视野。解决这一问题并实现高速成像的一种方法是再次从机械系统转向无运动部件的非机械光束扫描仪。Izatt和他的团队使用了衍射光栅，它将激光分成多个不同波长的光束，所有光束都以不同的角度离开光源。与扫描源一起，这产生了一种激光，其扫描环境的速度比机械系统快得多。

虽然这些技术可以改善成像系统的范围，但它们会影响深度分辨率。OCT系统通过使用更多的采样点、更快的光电探测器和更长的采集时间来解决这一问题。但激光雷达系统不需要相同的深度分辨率，因为它们不需要探测患者视网膜中几毫米深的结构。他们只需要扫描物体的表面。

研究人员发现，通过减少光谱采样点的数量和缩小激光的频率范围，他们可以实现实时3D成像，帧频高达33.2 Hz。通过这种压缩采样方法，他们演示了各种日常物体的视频速率成像，包括移动的人手，成像范围高达32.8 厘米。

该系统目前有一些局限性，尤其是成像范围较短。这是由于可用组件的带宽，使用更高规格的商用光电探测器和数字化仪，可以扩展到大约2 米。然而，研究人员强调，他们的方法显示了FMCW激光雷达在许多成像应用中的巨大潜力。

伊扎特说：“我们几十年来一直在研究的生物细胞尺度成像技术可直接用于大规模实时 3D 视觉”“这些正是机器人安全地观察和与人类互动所需的能力。”他解释说，“在3D世界中，他们需要能够看到我们，就像我们能看到他们一样。”