基于FMCW激光雷达技术的大面阵4D成像传感器-感算商城

对动态环境进行详细而准确的三维（3D）测绘，对于机器与周围环境的交互和人机交互来说至关重要。尽管科研界已为开发面向3D感知的CMOS图像传感器投入大量精力，但兼具可扩展、高性能与可靠性的解决方案始终仍难以实现。采用调频连续波（FMCW）激光雷达（LiDAR）技术的焦平面阵列（FPA）传感器，有望同时满足上述所有需求，并且还能直接测量径向速度，将其作为第四维度。尽管此前相关研究颇有前景，但尚未达到商业应用所需的阵列规模与性能。

近日，瑞士Pointcloud公司研究人员基于全芯片级光电集成技术，实现了一种大面阵相干激光雷达FPA。研究团队围绕该FPA构建了用于采集点云数据的四维（4D）成像相机。其核心为352 × 176像素的二维（2D）FMCW激光雷达FPA，由超过60万个光子元件组成，所有光子元件均与相关电子电路元件集成在同一颗芯片上。与此前研究相比，该器件的像素数量提升了五倍。像素架构采用单站（monostatic）构型，在单个像素内集成发射和接收光路，并集成了相干探测器和电子电路元件。研究人员通过集成驱动和校准电子电路元件的平面热光开关，将频率调制光依次导向不同像素组。集成的串行数字接口同步控制光开关和读出。研究人员通过实验展示了4至65米范围内目标物体的点云成像，其像素积分时间可支持3到15帧/秒（fps）的帧率。研究成果证明了该FMCW激光雷达FPA传感器是实现通用、低成本、紧凑型相干4D成像相机的核心技术。相关成果以“A large-scale coherent 4D imaging sensor”为题发表于Nature期刊。

4D成像架构

图1a展示了所提出的集成FMCW激光雷达相机系统。探测所用的FMCW光是通过将波长1310 nm的二极管激光器耦合至硅光子同相/正交（IQ）马赫-曾德尔调制器（MZM）产生的。当IQ调制器偏置于单边带模式并抑制载波时，通过施加外部线性射频（RF）调制，可实现对光信号频率的线性调制；随后该调频信号经放大并耦合至FPA中（图1b）。利用具有上调频和下调频的FMCW光源，可以同时测量目标的距离与径向速度。

图1 单站4D成像传感器架构

图2a展示了该FMCW激光雷达FPA模块示意图。整个开关链路的校准通过集成在每级末端的监测光电二极管完成。在单相干像素架构中，发射调制光的同一组光栅耦合器，同时收集来自目标的散射光。这种探测构型被称为单站构型，其本质上可防止像素间的光学串扰。与双站（bistatic）构型不同，单站构型仅需一个成像透镜，且无需对接收和发射光路进行校准。通过调整各像素光栅耦合器对的面外发射角和面内旋转角度，提升了目标之间的光耦合效率。通过直接在芯片上沉积定制设计的凹微透镜，进一步提高了收集效率（如图2c）。

图2 相干集成光子FPA示意图

系统性能

图3展示了相干4D成像系统的性能。研究人员利用商用、未经优化的短波红外（SWIR）相机来对静态和动态场景进行成像。在图3a中，每个像素点的距离信息通过一组各为32 μs的上下调频脉冲提取得到。使用8个并行读出通道获取图3d所示的整个场景仅需1秒钟，对应帧率为1 fps。实验结果体现了该系统的实时4D成像能力，单点成像仅耗能11 nJ。

图3 点云成像示例

单次测量的信噪比取决于多种因素，例如发射功率、本振（LO）功率、光束尺寸和质量、调频线性度、积分时间以及激光线宽。为了接近散粒噪声的极限，可以合理配置LO光功率和跨阻放大器（TIA）增益，使散粒噪声主导放大器热噪声。研究通过每行末端的监测光电二极管测量到达每个像素的光功率，并根据无源分光器的测量分光比进行校准，相关测量结果如图4所示。