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一種由MIT設計的全新激光雷達芯片利用專門設計的天線來減少干擾并擴大傳感器的視場。

從行駛在擁擠街道上的自動駕駛汽車到調查災區的無人機，激光雷達已經成為幫助機器感知三維世界最重要的技術之一。通過發射快速的紅外光脈沖并測量其反射，激光雷達系統可以實時構建其周圍環境的高度詳細地圖。

但如今最強大的激光雷達傳感器往往伴隨著主要缺點：它們體積龐大、價格昂貴，且依賴于隨著時間推移可能會磨損的移動機械部件。

MIT的研究人員現在展示了一種潛在的解決方案。他們開發了一種全新的硅基光子芯片，可以實現無移動部件的緊湊、耐用激光雷達系統。硅基光子學利用半導體技術來操縱光而不是電，這為體積更小、價格更便宜且更容易大規模制造的激光雷達傳感器打開了大門。

該插圖展示了由MIT研究人員開發的一種集成天線陣列（右），它能最大程度地減少在標準天線陣列（左）中可能發生的無用串擾。這項創新可以使激光雷達芯片在保持低噪聲運行的同時，掃描更廣泛的視場。圖片來源：Amy Pan 和 Sampson Wilcox

硅基光子激光雷達面臨的最大障礙之一是其有限的視場。現有的基于芯片的系統很難進行寬角度掃描，而擴展其覆蓋范圍的方法通常會引入噪聲并降低測量精度。

為了克服這一挑戰，MIT團隊設計了一種集成天線陣列，該陣列大大減少了相鄰天線之間被稱為串擾的無用干擾。他們的方法允許激光雷達芯片掃描更廣泛的區域，同時保持要求嚴格的應用（如自動駕駛汽車、航空測繪和施工現場監測）所需要的低噪聲、高精度性能。

固態激光雷達可變革自主導航

這一突破可以支持用于自動駕駛、航空測量和施工現場監測等應用的先進激光雷達傳感器的開發。

“我們在本項工作中展示的功能解決了集成光學相控陣技術的一個根本性問題，使未來的激光雷達傳感器能夠實現比我們此前所能展示的顯著更高的性能，”MIT電子工程與計算機科學系（EECS）Robert J. Shillman職業發展副教授、電子學研究實驗室成員、以及關于該創新論文的資深作者Jelena Notaros說道。

該論文的第一作者是EECS的研究生Henry Crawford-Eng。其他共同作者包括EECS的研究生Andres Garcia Coleto、Benjamin M. Mazur、Daniel M. DeSantis和Tal Sneh。這些發現發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

傳統的激光雷達系統通常依賴于一個旋轉單元向多個方向發射光脈沖。反射的光線返回到傳感器，使系統能夠重建環境地圖。

硅基光子激光雷達如何引導光線

與之不同，硅基光子激光雷達系統利用集成光學相控陣（OPA）以電子方式引導光線，從而消除了對移動部件的需求。

一個OPA包含一系列集成天線，這些天線沿其表面具有微小的周期性波紋。這些波紋將輸入的光線從光子芯片向上和向外散射。

通過改變發送到每個天線的光的相位，研究人員可以控制發射光束的方向并以電子方式引導它。

然而，將天線放置得太近會產生它們之間的干擾，導致發射的光線發生畸變。為了避免這種情況，工程師通常會將天線隔得更遠，但這又創造了另一個問題。

柵格瓣限制了視場

當天線間距過寬時，陣列會在不同的角度產生光束的多個副本。結果，主光束只能在有限的范圍內被引導，之后它就會變得與相鄰光束無法區分。

“這限制了我們的視場，因此自動駕駛汽車現在只能了解其前方特定角度范圍內的情況，”Garcia Coleto解釋道。

這些被稱為柵格瓣（grating lobes）的重復光束會混淆傳感器，產生虛警（假陽性），并浪費能量。

為了解決這個問題，MIT的研究人員設計了減少串擾的天線，這些天線可以放置得更近，而不會產生顯著的干擾。

MIT減少串擾的天線創新

在傳統的OPA中，每個天線都使用相同的幾何形狀和波紋圖案，這在天線緊密排列時會導致強烈的耦合。

MIT團隊通過創建三種具有不同寬度和波紋排列的不同天線設計解決了這一問題。這些差異賦予了每個天線獨特的傳播系數，這會影響光通過它的方式。

“由于天線具有非常不同的傳播系數，當我們把它們靠得很近時，基本上每個天線都‘看不見’它旁邊的天線。因此，它不會與它的鄰居耦合，”Garcia Coleto說。

即使具有不同的傳播特性，天線仍然需要以均勻的方式發射光線。

專為均勻光束發射而設計的天線

研究人員精心設計了這些天線以滿足三個要求。

每個天線必須發射相同數量的光，對于給定的波長在相同的角度引導光束，并且在光束跨陣列引導時一致地改變發射角度。

“我們面臨著這樣的挑戰：我們需要天線具有不同的幾何形狀以減少串擾，但我們同時需要設計天線使其具有相同的發射特性。雖然設計這一點是可能的，但這極其困難，因為通常情況下，當設計具有不同幾何形狀的天線時，它們往往表現得不同，”Crawford-Eng說。

該團隊首先開發了描述輻射模式如何相互作用的電磁理論，然后利用這些發現來設計和模擬天線。

實驗結果展示了重大的性能提升

利用這種方法，研究人員構建了一個天線間距比傳統系統緊密得多的OPA，并對該設備進行了實驗測試。

在傳統的OPA中，在類似條件下的耦合將達到大約100%。而在MIT的系統中，耦合下降到了大約1%，同時仍然產生單一、精確的光束。該設計還實現了在廣泛視場內的精確光束引導，且不會產生柵格瓣。

研究人員現在計劃進一步改進該技術，以進一步擴大視場。他們還在研究在開發基礎理論時涌現的另一種實現寬角功能的可能解決方案。

“這項工作解決了集成光學相控陣中一個長期存在的挑戰：同時實現寬視場（這需要密集的天線間距）和高光束質量（這需要相鄰天線之間的低串擾）。作者們用一種優雅的天線設計解決了這個問題。他們的創新是朝著芯片級、固態光束引導技術邁出的重要一步，”多倫多大學電氣與計算機工程教授、馬克斯·普朗克微結構物理研究所所長Joyce Poon表示（她未參與這項工作）。

參考文獻： “Reduced-crosstalk antennas for grating-lobe-free and wide-field-of-view integrated optical phased arrays”，作者：Henry Crawford-Eng, Andres Garcia Coleto, Benjamin M. Mazur, Daniel M. DeSantis, Tal Sneh 和 Jelena Notaros，2026年5月7日，《自然-通訊》。DOI: 10.1038/s41467-026-71832-y

https://scitechdaily.com/mit-engineers-solve-a-major-lidar-problem-that-has-stumped-researchers-for-years/

（來源：scitechdaily ）

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