Integrated coherent LiDAR with broadband low-noise-laser-driven, multidimensionally multiplexed passive beam steering
تقدم هذه الورقة نظام ليدار (LiDAR) متماسك هجين متكامل يتغلب على اختناقات القابلية للتوسع من خلال الجمع بين ليزر تجويف خارجي يعمل بالحقن الذاتي مع مصفوفة طور بصرية تشتتية سلبية متعددة الأبعاد التعدد، وذلك لتحقيق مجال رؤية واسع، وعرض خط طيفي فائق الضيق، وتحديد مسافات عالي الدقة من خلال التحسين المشترك لتماسك المصدر والتعدد المكاني السلبي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل عالماً تستطيع فيه سيارة أو طائرة بدون طيار أو روبوت "رؤية" محيطها بأبعاد ثلاثة، ليس فقط عبر التقاط الصور، بل عبر قياس المسافة الدقيقة لكل جسم تصادفه. هذا هو الوعد الذي تقدمه تقنية تسمى "ليدار" (LiDAR)، والتي ترمز إلى كشف المدى بالضوء. فبدلاً من استخدام كاميرا تعتمد على شدة الضوء المنعكس، تطلق أنظمة الليدار نبضات ليزر وتقيس الوقت الذي يستغرقه الضوء للارتداد. ولجعل هذا يعمل لأغراض الملاحة، يجب أن يكون النظام قادراً على مسح شعاع الليزر عبر مساحة واسعة، بالنظر يميناً ويساراً، وأعلى وأسفل، مع حساب المسافات بدقة متناهية في الوقت ذاته. لسنوات طويلة، كافح المهندسون لبناء هذه الأنظمة بحجم صغير بما يكفي لتناسب مركبة أو طائرة بدون طيار؛ إذ تتطلب الطرق التقليدية مصفوفات ضخمة من المفاتيح الإلكترونية لتوجيه الشعاع، وهي مصفوفات ضخمة، وتستهلك الكثير من الطاقة، وعرضة لارتفاع درجة الحرارة. كان التحدي يكمن في إيجاد طريقة لجعل شعاع الليزر يتحرك دون استخدام ذراع ميكانيكية ثقيلة ومعقدة أو غابة فوضوية من الضوابط الإلكترونية.
لقد أظهر فريق من الباحثين في جامعة شانغهاي جياو تونغ الآن نهجاً جديداً يحل هذه المشكلة عن طريق تغيير كيفية توجيه شعاع الليزر. فبدلاً من استخدام آلاف المفاتيح الإلكترونية لدفع الشعاع، بنوا نظاماً يتحرك فيه الشعاع ببساًطة عبر تغيير لون، أو طول موجي، لضوء الليزر. قد يبدو هذا بسيطاً، لكنه يتطلب نوعاً خاصاً جداً من الليزر؛ إذ يجب أن يكون الليزر قادراً على المسح عبر نطاق واسع من الألوان بسرعة، مع الحفاظ على استقرار وهدوء شديدين في تردده، لأن أي اضطراب أو ضجيج في الضوء من شأنه أن يفسد قياسات المسافة. لقد ابتكر الباحثون ليزراً هجيناً يجمع بين تقنيتين مختلفتين لتحقيق ذلك؛ حيث يقوم جزء من الجهاز باختيار النطاق الواسع من الألوان اللازم لمسح منطقة كبيرة، بينما يقوم جزء ثانٍ بقفل الضوء في نغمة واحدة فائقة النقاء لضمان دقة القياسات. يتيح هذا الجمع لليزر المسح عبر نطاق قدره 66 نانومتر في الطول الموجي مع الحفاظ على عرض خط ضيق يصل إلى 50 هرتز، وهو مستوى من الاستقرار نادر الحدوث لنطاق ضبط واسع كهذا.
النصف الثاني من اختراعهم هو الجهاز الذي يرسل الضوء فعلياً إلى العالم. في معظم الأنظمة المتقدمة، يكون هذا الجزء عبارة عن مصفوفة نشطة من المرايا الصغيرة أو المفاتيح التي تتطلب توصيلات كهربائية معقدة لتحريك الشعاع. استبدل الباحثون ذلك بجهاز سلبي تماماً، مما يعني أنه لا يحتوي على أجزاء متحركة ولا ضوابط إلكترونية على السطح الذي ينبعث منه الضوء. وبدلاً من ذلك، صمموا شريحة ذات محزوزات مائلة، وهي أنماط مجهرية محفورة في الس permukaan. عندما يصطدم ضوء الليزر بهذه الأنماط، فإنه ينكسر، أو ينحرف، نحو اتجاه محدد. ومن خلال استخدام خدعة ذكية تسمى "التعدد الإرسالي متعدد الأبعاد"، جعل الفريق النظام أكثر كفاءة؛ حيث رتبوا الجهاز بحيث يمكن إرسال نفس لون الضوء في اتجاهات مختلفة اعتماداً على المنفذ الذي يدخل منه، والاتجاه الذي يسلكه، واستقطابه. سمح هذا لهم بإعادة استخدام نفس نطاق الألوان ست عشرة مرة، مما ضاعف فعلياً عدد الاتجاهات المتميزة التي يمكن للنظام النظر إليها دون الحاجة إلى ليزر أوسع أو شريحة أكبر.
عندما اختبر الباحثون هذا النظام المدمج في بيئة واقعية، كانت النتائج مذهلة. فقد أعدوا هدفاً يحتوي على درجات عند مسافات وارتفاعات مختلفة واستخدموا ليزرهم لمسحه. وفي الوضع القياسي بدون تقنية القفل الخاصة بهم، عانى النظام من تحديد المسافة بدقة، حيث تباينت القياسات بما يصل إلى 8.39 سنتيمتراً. ومع ذلك، عندما قاموا بتفعيل طريقة "القفل بالحقن الذاتي" لاستقرار الليزر، تحسنت الدقة بشكل كبير؛ إذ انخفض التباين في القياسات إلى 0.97 سنتيمتراً فقط، وهو تحسن بأكثر من ثماني مرات. وقد ظل هذا المستوى من الدقة ثابتاً حتى عند تحريك الهدف بعيداً جداً، وصولاً إلى 23.7 متراً. وعند تلك المسافة، حافظ النظام على دقة بلغت 29 سنتيمتراً، وهو ما يعد أفضل بست مرات من النسخة غير المستقرة. كما قاس الفريق سرعة قدرة النظام على تغيير رؤيته من نقطة إلى أخرى؛ ولأن توجيه الشعاع يعتمد على تغيير لون الليزر بدلاً من تحريك المفاتيح الإلكترونية، استطاع النظام إعادة توجيه نظره في حوالي 28 ميكروثانية، وهي سرعة يحدها فقط مدى سرعة ارتفاع وانخفاض درجة حرارة المكونات الداخلية لليزر.
تكمن أهمية هذا العمل في كيفية تبسيط البنية الكاملة لمستشعر ثلاثي الأبعاد. فمن خلال نقل المهمة المعقدة لتوجيه الشعاع من مصفوفة ضخمة من الضوابط الإلكترونية إلى ليزر واحد ذكي، يصبح النظام أصغر حجماً، وأخف وزناً، وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة. والطبيعة السلبية للمرسل تعني أنه لا يولد الحرارة التي تعاني منها المصفوفات الإلكترونية النشطة عادةً، مما يجعله مناسباً للبيئات التي تندر فيها الطاقة أو يصعب فيها التبريد. وقد أظهر الباحثون مجال رؤية يمتد عبر 110 درجات أفقياً و90 درجة رأسياً عند اختباره مع مصدر ضوء خارجي أوسع، مما يشير إلى أن التصميم الفيزيائي للشريحة قادر على رؤية مساحة واسعة جداً. وبينما استخدمت التجاريات الحالية نطاق ليزر محدداً، فإن مبادئ التصميم الأساسية تسمح بمزيد من التوسع. يقدم هذا النهج مساراً واضحاً لبناء أنظمة ليدار "صلبة الحالة" (solid-state) تكون مدمجة بما يكفي لتوضع في الزجاج الأمامي للسيارات أو في أجسام الطائرات الصغيرة بدون طيار، مما يجلب الاستشعار ثلاثي الأبعاد عالي الدقة إلى نطاق أوسع من التطبيقات دون الأعباء الضخمة ومتطلبات الطاقة التي كانت تفرضها الأجيال السابقة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.