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世界上最强大的三维激光成像仪,正进入商业应用领域

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  新的军事激光雷达(LIDAR)芯片可进行更快、更精确的航空测绘,将过去几天的任务在数分钟内完成。
  机载激光扫描已在过去几年里制造出绝佳的地图和深度信息。抛开别的不说,这项技术揭示了一座消失的中世纪城市街道网络的模糊轮廓。这片街道网络湮没在柬埔寨吴哥窟周围的丛林之中。完成这一壮举需要20个小时的直升机飞行时间,来把370平方公里的土地以1米的分辨率绘制出来。
  但在马萨诸塞州贝德福德汉斯科姆空军基地(Hanscom Air Force Base)的一座安全机库里,一架庞巴迪(Bombardier) 涡轮螺旋桨飞机的机腹已经配备了一种新技术设备,可以在约半小时内完成柬埔寨的这项任务。戴尔·弗里德(Dale Fried)说,机身装有一种新型激光雷达(LIDAR,light detection and ranging,光探测和测距)三维成像系统,该系统拥有前所未有的速度和高分辨率。弗里德是林肯实验室里该系统的主要开发者,该实验室是一家由联邦政府出资、麻省理工学院运营的研发中心。
  激光雷达系统发射激光并检测返回的光子,利用这些反射的时机来测量距离并绘制三维图像。这个新成像系统的核心是一个微芯片,上面带有迄今最大的像素阵列——总共16384个像素,每个像素只检测一个光子。这个像素阵列在与光学透镜配合使用时,就能绘制更广阔区域的影像。“这些单光子探测器的阵列能够非常迅速地为广阔的区域绘图,”弗里德说。
       在今天其他的机载激光雷达系统中,单个探测器的敏感度要低很多;而且它们是机械地带着激光器移动,激光器射出光来捕捉一片更广泛的区域。
  新系统在汉斯科姆拍摄的影像都没有公开,不过这项技术的前一代产品已经接受过测试,这套四年前的设备拥有的像素数仅为新系统的四分之一。在2010年1月海地地震之后,该系统由美国军方派遣执行过一次人道主义任务;一架商业飞机携带此系统在1万英尺(约合3千米)天空仅飞越太子港一次,就能够以30厘米的精度即时快照出该城市600平方米的地区,显示出散落在城市街道中瓦砾的精确高度。
  比起当年在吴哥窟使用的系统,四年前这套系统已经快到约4倍且细节更加丰富。弗里德说,但现在汉斯科姆机库里的这套探测器阵列则又把速度翻了10倍,可以迅速制造出大得多的地图。
  这项技术使用一种名为砷化铟镓的半导体,在红外光谱上使用相对较长的波长运作,这一波长允许更高的功率,从而拓展了机载激光的扫描范围。
  能检测单个光子的像素阵列被制造出来只有差不多10年左右。在大多数情况下,最终的成像系统仅限于政府和军队工作,例如以1米的分辨率描绘阿富汗的崎岖地形,以帮助直升机机组人员寻找降落区。
  这项技术被授权给两家公司,新泽西州克兰伯里的普林斯顿光波公司(Princeton Lightwave)和位于加州西尔马的波音公司(Boeing)子公司光谱实验室(Spectrolab),由这两家把这项技术加工成产品。去年,普林斯顿光波首先把在海地使用的成像技术商业化。生产出的设备包大小就像个鞋盒子,然而其最初价格高达15万美元,瞄准了国防承包商市场。
  不过,普林斯顿光波首席执行官马克·依茨勒(Mark Itzler)表示,随着芯片制造过程的进步和价格的降低,这项技术可以找到多得多的应用领域,包括冰川学、农业和考古学,甚至还能进入自动驾驶汽车的大规模市场。目前,商业版本的汽车激光雷达只能够观测到几米远,价格却超过3万美元,而且通常需要一个笨重的机械装置。
  当许多不同类型的激光雷达正被考虑用于汽车时,铟砷化镓的方法具有长期的优势,它可以被安全地增加到极高的功率水平。当前的系统使用硅,在可见光频率内运作。其结果是,将其功率增高到能够解决重要的任务,例如在雾蒙蒙的高速路上检测到前方200米处的动物时,就会提高伤害眼睛的风险。“有足够多的(汽车供应商)将眼睛安全视为一个长期问题,它们对于单光子灵敏度技术非常感兴趣,因为该技术可以在眼睛安全得多的波长下运作,”依茨勒说。
  普林斯顿光波正在与汽车行业的主要供应商谈论创建一个早期原型设备。依茨勒说,成本必须被极大压低,不过这是有先例的。“高速电信网络所使用的第一个(使用砷化镓铟的)光接收器价格5千美元,而这类设备现在只要10美元,”他提到。
  弗里德说,不论这项技术是否被应用到汽车上,消除对一些移动部件的需求,并且开发更大的单光子探测器阵列,将最终“革命性地降低三维成像技术的价格点,程度达10倍或更多,从而使新的用途成为可能。”
  与此同时,基于芯片的发射器阵列的新进展,令该设备更容易在没有旋转部件的情况下发射光。在去年《自然》杂志的一篇文章中,另一些麻省理工学院研究者展示了一个64×64的硅天线阵列,可以使用单一激光束,并通过调整芯片电压把它发送到用户想要的任何地方。
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