در یک مطالعه اخیر، محققان چینی یک سیستم LiDAR در مقیاس{0} تراشه ایجاد کردهاند که با تمرکز پویا حسگر با وضوح بالا بر روی مناطق مورد نظر (ROI) و در عین حال آگاهی گسترده را در سراسر میدان دید کامل حفظ میکند، فوواسیون چشم انسان را تقلید میکند.
این مطالعه در مجله منتشر شده استارتباطات طبیعت.
سیستمهای LiDAR بینایی ماشینی را در اتومبیلهای{0}خودران، پهپادها و روباتها با پرتاب پرتوهای لیزر برای نقشهبرداری صحنههای سه بعدی با دقت میلیمتری تقویت میکند. چشم متراکم ترین حسگرهای خود را در فووئا (نقطه دید مرکزی تیز) جمع می کند و نگاه را به آنچه مهم است تغییر می دهد. در مقابل، اکثر LiDAR ها از پرتوهای موازی صلب یا اسکن هایی استفاده می کنند که وضوح یکنواخت (اغلب درشت) را در همه جا پخش می کنند. افزایش جزئیات به معنای افزودن کانال های بیشتر به طور یکنواخت است که باعث افزایش هزینه ها، قدرت و پیچیدگی می شود.
طراحی تیم به وضوح زاویهای فراتر از-شبکیه 0.012 درجه در ROI-دو برابر حد تقریبی 0.017 درجه چشم میرسد. این بدان معناست که سیستم می تواند نقاطی را که با کوچکترین زوایای جدا شده اند، تشخیص دهد، مانند انتخاب جزئیات دقیق در تابلوهای جاده ای دور. این کانالهای حسگر موازی را در صورت تقاضا مجدداً تخصیص میدهد، و از مقیاسبندی{6}}اجباری پرهزینه اجتناب میکند.
Phys.org با نویسندگان همکار این مطالعه، Ruixuan Chen و Xingjun Wang از دانشکده الکترونیک دانشگاه پکن صحبت کرد.
محققان توضیح دادند: "انگیزه ناشی از عدم تطابق عملی بین ادراک بیولوژیکی و ماشینی است." "چشم انسان با تخصیص مجدد توجه-حفظ آگاهی گسترده و در عین حال تمرکز منابع بر روی موارد مهم، به دقت بالا و کارایی انرژی دست می یابد. در مقابل، وضوح LiDAR اغلب توسط "کانال های بیشتر در همه جا" دنبال می شود، که به سرعت گران می شود و به قدرت می رسد-."
مشکل پوسته پوسته شدن
سیستمهای بینایی ماشین فراتر از دوربینهای سنتی گسترش یافتهاند و شامل حسگرهای LiDAR میشوند که اندازهگیری دقیق فاصله و درک محیطی سه بعدی را امکانپذیر میکنند. با این حال، برخلاف دوربینهای غیرفعال، LiDAR برای هر پیکسل سختافزار انتشار و دریافت را میطلبد و وضوح قابل دستیابی را محدود میکند.
رویکردهای فعلی برای بهبود رزولوشن LiDAR با یک گلوگاه بحرانی روبرو هستند. تکرار کانال افزایش وضوح خطی را ارائه می دهد اما باعث انفجارهای فوق خطی در پیچیدگی، قدرت و هزینه می شود.
محققان توضیح دادند: "اول، وضوح به شدت با تعداد کانالهای سختافزار و مکانیک اسکن مرتبط است. دوم، LiDAR یک حسگر فعال است: هر پیکسل به طور موثری هم هزینه منابع انتقال و هم دریافت را هزینه میکند." "این امر فوکوس تطبیقی را اساساً سختتر از تصویربرداری غیرفعال میکند، زیرا شما باید قدرت نوری، حساسیت گیرنده و پهنای باند دیجیتالی را مدیریت کنید و در عین حال محدودیتهای ایمنی{2}}را رعایت کنید."
برای LiDAR موج پیوسته مدولهشده فرکانس منسجم، این چالش بهویژه حاد است. هر کانال منسجم به کنترل فرکانس پایدار، سخت افزار دریافت پیچیده و کالیبراسیون دقیق نیاز دارد. این امر باعث میشود که تکثیر کانالهای گسترده برای توجیه اقتصادی بسیار دشوارتر باشد.
یک راه حل بیومیمتیک
راه حل محققان دو فناوری کلیدی را ترکیب می کند. اینها شامل یک لیزر حفره خارجی چابک (ECL) با محدوده تنظیم بیش از 100 نانومتر، و شانههای فرکانس نوری الکترو{3} قابل تنظیم مجدد بر روی پلتفرمهای نازک لیتیوم نیوبات (TFLN) میشود.
ECL سیگنالهای صدای جیر جیر FMCW با کیفیت بالا را برای محدوده منسجم ارائه میکند و به عنوان یک مکانیسم فرمان با طول موج-پرتو کنترلشده- عمل میکند. با تنظیم طول موج مرکزی، سیستم می تواند به سرعت جهت دید خود را در یک میدان دید وسیع تغییر مسیر دهد.
سپس الکترو{0}}شانه نوری چندین حامل FMCW موازی را از یک منبع لیزری چیپ شده تولید میکند. بسیار مهم، تنظیم شرایط درایو فرکانس رادیویی، فاصله شانه را تغییر می دهد.
محققان افزودند: "این همان چیزی است که "زوم" را قادر میسازد-ما میتوانیم چگالی نقطه را در یک منطقه انتخابشده افزایش دهیم (نمونهگیری دقیقتر) یا آن را آرام کنیم (نمونهگیری درشتتر) بدون تغییر اپتیک یا اضافه کردن کانالها."
این سیستم از چیزی استفاده میکند که محققان آن را «میکرو-موازیسازی» مینامند. این به معنای استفاده از تعداد متوسطی از کانال های فیزیکی برای دستیابی به معادل خطوط اسکن بسیار بیشتر از طریق تغییر موقعیت پویا است.
اعتبار سنجی تجربی
این تیم قابلیتهای سیستم را در سه سناریو آزمایشی نشان داد، و به وضوح زاویهای 0.012 درجه در مناطق متمرکز- فراتر از حد اسمی شبکیه چشم انسان دست یافت.
در تصویربرداری صحنه ایستا، سیستم یک محیط جاده شبیهسازی شده را با وضوح 54 در 71 پیکسل برای اسکنهای میدان دید کامل--و 17 در 71 پیکسل برای اسکنهای متمرکز محلی ضبط کرد. این اسکنهای متمرکز، چگالی جزئیات عمودی را چهار برابر کرد و موانعی را که قبلاً نامرئی بودند، با دقت 90 درصد نقاط زیر 1.3 سانتیمتر آشکار کرد.
محققان همچنین ترکیب دوربین LiDAR{0}}را نشان دادند و ابرهای نقطه ای رنگی ایجاد کردند که هندسه سه بعدی دقیق را با داده های ظاهری RGB ترکیب می کند. هنگام مقایسه اسکن های استاندارد در مقابل اسکن های متمرکز، تراز هیستوگرام رنگ تقریباً 10٪ بهبود یافته است که نشان دهنده مطابقت بهتر بین نقاط سه بعدی و پیکسل های تصویر است.
محققان توضیح دادند: «با ادغام LiDAR با دوربین، ما ابرهای نقطهای رنگی ایجاد میکنیم و نمایش صحنه را غنی میکنیم، که تفسیرپذیری را بهبود میبخشد و از وظایف ادراک پاییندستی که به بافت و نشانههای معنایی بستگی دارد، پشتیبانی میکند.
شاید جالبتر از همه، تیم-چهاربعدی-بهعلاوه تصویربرداری-از یک پرتاب بسکتبال که موقعیت، سرعت چرخش، بازتاب سطح و رنگ را به طور همزمان نشان میداد، ثبت کرد. در 8 هرتز در یک میدان دید گسترده، این الگوهای حرکتی را نشان داد که برای LiDAR استاندارد 3D نامرئی بود.
کار آزمایشی مبادلات مهمی در سطح سیستم-را نشان داد که مسیرهای توسعه آینده را نشان میدهد.
محققان خاطرنشان کردند: «واضح ترین تنش بین وضوح زاویه ای و فضای اندازه گیری هر کانال است.» "در بازخوانی منسجم موازی ما، هر کانال باید باند الکتریکی غیر همپوشانی خود را اشغال کند. وقتی نرخ تکرار را کاهش میدهیم، در واقع میتوانیم نمونهبرداری زاویهای را ریزتر کنیم، اما آزمایش نشان میدهد که این پهنای باند بازخوانی هر کانال را نیز فشرده میکند."
این تیم چندین جهت اولویت را برای پیشبرد فناوری به سمت استقرار عملی شناسایی کرد. اینها شامل ادغام یکپارچه عمیق تر در پلتفرم های TFLN، توسعه منابع فراسود باند فوق العاده برای وضوح محدوده بهبود یافته، و اجرای سیاست های توجه حلقه بسته برای ادراک رویداد-.
آزمایشهای فعلی با استفاده از پیوندهای فیبر، ناپایداری قطبش را معرفی میکنند که قابلیتهای طبقهبندی مواد را محدود میکند.
محققان گفتند: "با این حال، ما تصور می کنیم که یکپارچگی یکپارچه اساساً این تنگنا را حل می کند." "با تغییر مسیرهای فیبر ناپایدار به موجبرهای محصور در{1} تراشه، میتوانیم به بازیابی قطبش پایدار دست یابیم."
سیستم LiDAR بیونیک کاربردهای بالقوه ای را در وسایل نقلیه خودران، هواپیماهای بدون سرنشین هوایی و دریایی، روباتیک و سیستم های بینایی نورومورفیک ارائه می دهد. به گفته محققان، فراتر از LiDAR، شانههای قابل تنظیم مجدد آنالیز طیفی سریع برای ارتباطات نوری، توموگرافی انسجام، سنجش فشاری و اندازهشناسی دقیق را امکانپذیر میسازند.
