Fi studju reċenti, riċerkaturi miċ-Ċina żviluppaw sistema LiDAR fuq skala ta' ċippa-li timita l-foveation tal-għajn tal-bniedem billi tikkonċentra b'mod dinamiku sensing ta'-riżoluzzjoni għolja fuq reġjuni ta' interess (ROIs) filwaqt li żżomm għarfien wiesa' fil-kamp viżiv sħiħ.
L-istudju huwa ppubblikat fil-ġurnalKomunikazzjonijiet tan-Natura.
Is-sistemi tal-LiDAR jagħtu s-saħħa tal-viżjoni tal-magni f'karozzi, drones u robots li jsuqu waħedhom- billi jisparaw raġġi tal-lejżer biex jiġu mmappjati xeni 3D bi preċiżjoni millimetrika. L-għajn tippakkja s-sensuri l-aktar densi tagħha fil-fovea (post tal-vista ċentrali li jaqtgħu) u tbiddel il-ħarsa lejn dak li hu importanti. B'kuntrast, il-biċċa l-kbira tal-LiDARs jużaw travi jew skans paralleli riġidi li jxerrdu riżoluzzjoni uniformi (spiss oħxon) kullimkien. It-tisħiħ tad-dettall ifisser li żżid aktar kanali b'mod uniformi, li tisplodi l-ispejjeż, il-qawwa u l-kumplessità.
Id-disinn tat-tim jikseb riżoluzzjoni angolari "lil hinn-retina" ta' 0.012 grad f'ROIs-doppju qawwi mill-limitu approssimattiv ta' 0.017 grad tal-għajn. Dan ifisser li s-sistema tista' tiddistingwi punti separati mill-iżgħar angoli, bħal meta tagħżel dettalji fini fuq sinjal tat-triq 'il bogħod. Huwa jalloka mill-ġdid kanali ta' sensing paralleli fuq talba, u jevita l-iskala tal-forza brute-għala.
Phys.org tkellem mal-ko-awturi tal-istudju, Ruixuan Chen u Xingjun Wang, mill-Iskola tal-Electronics tal-Università ta' Peking.
"Il-motivazzjoni ġejja minn nuqqas prattiku bejn il-perċezzjoni bijoloġika u dik tal-magni," spjegaw ir-riċerkaturi. "L-għajn tal-bniedem tikseb akutezza għolja u effiċjenza enerġetika billi talloka mill-ġdid l-attenzjoni-iżżomm għarfien wiesa' filwaqt li tikkonċentra r-riżorsi fuq dak li huwa importanti. B'kuntrast, ir-riżoluzzjoni tal-LiDAR ħafna drabi tiġi segwita minn 'aktar kanali kullimkien,' li malajr isir għali u jiswa qawwa-."
Il-problema tal-iskala
Is-sistemi ta 'viżjoni bil-magni espandew lil hinn mill-kameras tradizzjonali biex jinkludu sensuri LiDAR, li jippermettu kejl preċiż tad-distanza u perċezzjoni ambjentali 3D. B'differenza mill-kameras passivi, madankollu, il-LiDAR jitlob ħardwer ta 'emissjoni u riċeviment għal kull pixel, li jillimita r-riżoluzzjoni li tista' tinkiseb.
L-approċċi attwali għat-titjib tar-riżoluzzjoni tal-LiDAR jiffaċċjaw ostakolu kritiku. Id-duplikazzjoni tal-kanali tagħti gwadann ta’ riżoluzzjoni lineari iżda tikkawża splużjonijiet superlineari fil-kumplessità, il-qawwa u l-ispiża.
"L-ewwel, ir-riżoluzzjoni hija akkoppjata sewwa mal-għadd tal-kanali tal-ħardwer u l-mekkanika tal-iskannjar. It-tieni, LiDAR huwa sensor attiv: kull pixel effettivament jiswa kemm jittrasmettu kif ukoll jirċievi riżorsi," spjegaw ir-riċerkaturi. "Dan jagħmel l-iffukar adattiv fundamentalment aktar diffiċli milli fl-immaġini passiv, għaliex trid timmaniġġja l-qawwa ottika, is-sensittività tar-riċevitur, u l-bandwidth tad-diġitizzazzjoni filwaqt li tissodisfa r-restrizzjonijiet ta' sikurezza tal-għajnejn-."
Għal LiDAR ta' mewġ kontinwu koerenti-modulat, din l-isfida hija partikolarment akuta. Kull kanal koerenti jeħtieġ kontroll tal-frekwenza stabbli, ħardwer ta 'riċeviment sofistikat, u kalibrazzjoni stretta. Dan jagħmel id-duplikazzjoni massiva tal-kanali ferm aktar diffiċli biex tiġġustifika ekonomikament.
Soluzzjoni bijomimetika
Is-soluzzjoni tar-riċerkaturi tgħaqqad żewġ teknoloġiji ewlenin. Dawn jinkludu laser b'kavità esterna -aġili (ECL) b'firxa ta' rfinar ta' aktar minn 100 nm, u pettnijiet ta' frekwenza elettro-ottika rikonfigurabbli mibnija fuq pjattaformi-rqiqa tal-litju niobate (TFLN).
L-ECL jipprovdi sinjali ta'-chirp FMCW ta' kwalità għolja għal medda koerenti u jaġixxi bħala mekkaniżmu ta' tmexxija ta' raġġ ikkontrollat-wavelength-. Bl-irfinar tal-wavelength taċ-ċentru, is-sistema tista 'tindirizza mill-ġdid id-direzzjoni tal-vista tagħha fi ħdan kamp viżiv wiesa'.
Il-moxt elettro-ottiku mbagħad jiġġenera trasportaturi FMCW paralleli multipli mill-istess sors tal-lejżer chirped. B'mod kruċjali, l-aġġustament tal-kundizzjonijiet tas-sewqan tal-frekwenza tar-radju jibdel l-ispazjar tal-moxt.
"Dan huwa dak li jippermetti 'zoom'-nistgħu nżidu d-densità tal-punt f'reġjun magħżul (kampjunar aktar fin) jew nirrilassawha (kampjunar oħxon) mingħajr ma nbiddlu l-ottika jew inżidu l-kanali," żiedu r-riċerkaturi.
Is-sistema timpjega dak li r-riċerkaturi jsejħu "mikro-paralleliżmu." Dan ifisser li tuża numru moderat ta 'kanali fiżiċi biex jinkiseb l-ekwivalenti ta' ħafna aktar linji ta 'skanjar permezz ta' ripożizzjoni dinamika.
Validazzjoni sperimentali
It-tim wera l-kapaċitajiet tas-sistema fi tliet xenarji sperimentali, u kiseb riżoluzzjoni angolari ta' 0.012 grad f'reġjuni ffukati-li qabeż il-limitu nominali tar-retina umana.
Fl-immaġini tax-xena statika, is-sistema qabdet ambjent tat-triq simulat b'riżoluzzjonijiet ta' 54 b'71 pixel għal skans ta' kamp-tal--vista sħiħ u 17 b'71 pixel għal skans iffukati lokalment. Dawn l-iskans ffukati kkwadruplikaw id-densità tad-dettall vertikali, u żvelaw ostakli li qabel kienu inviżibbli, b'90% tal-punti preċiżi għal taħt 1.3 ċm.
Ir-riċerkaturi wrew ukoll fużjoni tal-kamera LiDAR-, li ħolqu sħab tal-punti kkuluriti li jgħaqqdu ġeometrija 3D preċiża ma 'dejta tad-dehra RGB. Meta tqabbel l-iskans standard versus iffukati, l-allinjament tal-istogramma tal-kulur tjieb b'madwar 10%, li jindika korrispondenza aħjar bejn il-punti 3D u l-pixels tal-immaġni.
"Bil-fużjoni tal-LiDAR ma 'kamera, niġġeneraw sħab ta' punti kkuluriti u jarrikkixxu r-rappreżentazzjoni tax-xena, li ttejjeb l-interpretabilità u tappoġġja kompiti ta 'perċezzjoni downstream li jiddependu fuq in-nisġa u indikazzjonijiet semantiċi," spjegaw ir-riċerkaturi.
Forsi l-aktar impressjonanti, it-tim qabad -ħin reali 4D-flimkien ma' immaġini-toss tal-baskitbol fejn kull punt wera l-pożizzjoni, il-veloċità tal-ispin, ir-riflettività tal-wiċċ, u l-kulur fl-istess ħin. Fi 8 Hz fuq firxa wiesgħa ta 'vista, dan żvela mudelli ta' moviment inviżibbli għal LiDAR 3D standard.
Ix-xogħol sperimentali żvela kompromessi importanti fil--sistema li jinformaw mogħdijiet ta' żvilupp futuri.
"L-aktar waħda ċara hija t-tensjoni bejn ir-riżoluzzjoni angolari u l-headroom tal-kejl għal kull-kanal," innutaw ir-riċerkaturi. "Fil-qari koerenti parallel tagħna, kull kanal għandu jokkupa l-faxxa elettrika mhux-koinċidenza tiegħu stess. Meta nnaqqsu r-rata ta 'ripetizzjoni, nistgħu tabilħaqq nimbottaw il-kampjunar angolari aktar fin, iżda l-esperiment juri li dan jikkompressa wkoll il-faxxa tal-qari għal kull-kanal."
It-tim identifika diversi direzzjonijiet prijoritarji għall-avvanz tat-teknoloġija lejn skjerament prattiku. Dawn jinkludu integrazzjoni monolitika aktar profonda fuq pjattaformi TFLN, żvilupp ta' sorsi swept ultra-wideband għal riżoluzzjoni tal-medda mtejba, u implimentazzjoni ta' politiki ta' attenzjoni-closed loop għal perċezzjoni mmexxija minn avveniment-.
Esperimenti kurrenti li jużaw links tal-fibra jintroduċu instabbiltà tal-polarizzazzjoni li tillimita l-kapaċitajiet ta 'klassifikazzjoni tal-materjal.
"Madankollu, aħna nipprevedi li l-integrazzjoni monolitika se ssolvi b'mod fundamentali dan il-konġestjoni," qalu r-riċerkaturi. "Billi naqilbu minn mogħdijiet tal-fibra instabbli għal gwidi tal-mewġ ristretti fuq-chip, nistgħu niksbu rkupru stabbli tal-polarizzazzjoni."
Is-sistema LiDAR bijonika toffri applikazzjonijiet potenzjali li jkopru vetturi awtonomi, drones tal-ajru u tal-baħar, robotika, u sistemi ta 'viżjoni newromorfika. Lil hinn mill-LiDAR, pettnijiet rikonfigurabbli jippermettu analiżi spettrali mgħaġġla għal komunikazzjonijiet ottiċi, tomografija ta 'koerenza, sensing kompressiv, u metroloġija ta' preċiżjoni, skond ir-riċerkaturi.
