世界上最強大的三維激光成像儀正進入商業應用領域

文/大衛·塔爾博特（David Talbot）

世界上最強大的三維激光成像儀正進入商業應用領域

文/大衛·塔爾博特（David Talbot）

機載激光掃描已在過去幾年里制造出絕佳的地圖和深度信息。拋開別的不說，這項技術揭示了一座消失的中世紀城市街道網絡的模糊輪廓。這片街道網絡湮沒在柬埔寨吳哥窟周圍的叢林之中。完成這一壯舉需要20個小時的直升機飛行時間，來把370平方公里的土地以1米的分辨率繪制出來。

但在馬薩諸塞州貝德福德漢斯科姆空軍基地的一座安全機庫里，一架龐巴迪渦輪螺旋槳飛機的機腹已經配備了一種新技術設備，可以在約半小時內完成柬埔寨的這項任務。戴爾·弗里德說，機身裝有一種新型激光雷達三維成像系統，該系統擁有前所未有的速度和高分辨率。弗里德是林肯實驗室里該系統的主要開發者，該實驗室是一家由聯邦政府出資、麻省理工學院運營的研發中心。

激光雷達系統發射激光并檢測返回的光子，利用這些反射的時機來測量距離并繪制三維圖像。這個新成像系統的核心是一個微芯片，上面帶有迄今最大的像素陣列——總共16384個像素，每個像素只檢測一個光子。這個像素陣列在與光學透鏡配合使用時，就能繪制更廣闊區域的影像?！斑@些單光子探測器的陣列能夠非常迅速地為廣闊的區域繪圖，”弗里德說。

在2010年1月海地地震之后，該系統由美國軍方派遣執行過一次人道主義任務；一架商業飛機攜帶此系統在1萬英尺天空僅飛越太子港一次，就能夠以30厘米的精度即時快照出該城市600平方米的地區，顯示出散落在城市街道中瓦礫的精確高度。

比起當年在吳哥窟使用的系統，四年前這套系統已經快到約4倍且細節更加豐富。弗里德說，但現在漢斯科姆機庫里的這套探測器陣列則又把速度翻了10倍，可以迅速制造出大得多的地圖。

這項技術使用一種名為砷化銦鎵的半導體，在紅外光譜上使用相對較長的波長運作，這一波長允許更高的功率，從而拓展了機載激光的掃描范圍。

能檢測單個光子的像素陣列被制造出來只有差不多10年左右。在大多數情況下，最終的成像系統僅限于政府和軍隊工作，例如以1米的分辨率描繪阿富汗的崎嶇地形，以幫助直升機機組人員尋找降落區。

這項技術被授權給兩家公司，新澤西州克蘭伯里的普林斯頓光波公司和位于加州西爾馬的波音公司子公司光譜實驗室，由這兩家把這項技術加工成產品。2013年，普林斯頓光波首先把在海地使用的成像技術商業化。生產出的設備包大小就像個鞋盒子，最初價格高達15萬美元，瞄準了國防承包商市場。

不過，普林斯頓光波首席執行官馬克·依茨勒表示，隨著芯片制造過程的進步和價格的降低，這項技術可以找到更多的應用領域，包括冰川學、農業和考古學，甚至還能大規模進入自動駕駛汽車市場。目前，商業版本的汽車激光雷達只能夠觀測到幾米遠，價格卻超過3萬美元，通常還需要一個笨重的機械裝置。

當許多不同類型的激光雷達正被考慮用于汽車時，銦砷化鎵的方法具有長期的優勢，它可以被安全地增加到極高的功率水平。當前的系統使用硅，在可見光頻率內運作。其結果是，將其功率增高到能夠解決重要的任務，例如在霧蒙蒙的高速路上檢測到前方200米處的動物時，就會提高傷害眼睛的風險。“有足夠多的（汽車供應商）將眼睛安全視為一個長期問題，它們對于單光子靈敏度技術非常感興趣，因為該技術可以在眼睛安全得多的波長下運作，”依茨勒說。

普林斯頓光波正在與汽車行業的主要供應商談論創建一個早期原型設備。依茨勒說，成本必須被極大壓低，不過這是有先例的?！案咚匐娦啪W絡所使用的第一個（使用砷化鎵銦的）光接收器價格5千美元，而這類設備現在只要10美元，”他提到。

弗里德說，不論這項技術是否被應用到汽車上，消除對一些移動部件的需求，并且開發更大的單光子探測器陣列，將最終“革命性地降低三維成像技術的價格點，程度達10倍或更多，從而使新的用途成為可能?！?/p>

而與此同時，基于芯片的發射器陣列的新進展，令該設備更容易在沒有旋轉部件的情況下發射光。在2013年《自然》雜志的一篇文章中，另一些麻省理工學院研究者展示了一個64×64的硅天線陣列，可以使用單一激光束，并通過調整芯片電壓把它發送到用戶想要的任何地方。

來源：麻省理工科技評論