我國科學(xué)家研發(fā)出仿生相干激光雷達(dá)芯片

　　讓機器學(xué)會“凝視”(探一線)

　　對生物來說，“看”是本能，而“凝視”是智慧——鷹隼在高空精準(zhǔn)鎖定地面獵物，人眼在車水馬龍中識別信號燈的閃爍，都是經(jīng)過漫長進(jìn)化而來的高效視覺智慧。

　　生物視覺并非對整個世界進(jìn)行平均掃描。人類視網(wǎng)膜最敏銳的區(qū)域——中央凹，可讓人眼在大視場環(huán)境下，將有限的注意力瞬間集中在關(guān)鍵目標(biāo)上，實現(xiàn)視覺資源的高效分配。

　　科學(xué)家將這種視覺智慧濃縮進(jìn)一枚小小的硅基芯片。北京大學(xué)王興軍教授、舒浩文研究員團(tuán)隊聯(lián)合香港城市大學(xué)王騁教授團(tuán)隊、上海交通大學(xué)周林杰教授團(tuán)隊，研制出一種具備“凝視”成像能力的仿生相干激光雷達(dá)芯片，并完成了四維成像演示系統(tǒng)，幫助機器視覺從“粗放掃描”轉(zhuǎn)向“精準(zhǔn)感知”。研究成果已在線發(fā)表于《自然·通訊》。

　　隨著自動駕駛、具身智能和低空無人機等行業(yè)飛速發(fā)展，機器視覺正面臨挑戰(zhàn)——如何讓智能體“看得清、看得全、看得快”？傳統(tǒng)做法是“堆料”，增加激光雷達(dá)的通道數(shù)，提升采樣率。然而，一些問題隨之而來。

　　一方面，激光雷達(dá)的分辨率越高，所需光電器件就越多，后端電子處理的帶寬需求也隨之激增，很快就會撞上成本與功耗的“天花板”；另一方面，相比常見的脈沖式激光雷達(dá)，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)雖然能在測速的同時抗干擾，但其對光源穩(wěn)定性和掃頻線性度等指標(biāo)有著近乎苛刻的要求，性能稍有偏差，探測精度就會大打折扣。

　　受生物視覺機制啟發(fā)，研究團(tuán)隊提出“微并行”架構(gòu)，通過按需調(diào)度激光雷達(dá)的光譜與通道資源，把“全局覆蓋”和“局部高分辨”分開實現(xiàn)。在這一過程中，可調(diào)諧外腔激光器與薄膜鈮酸鋰電光頻梳協(xié)同工作：前者負(fù)責(zé)調(diào)制信號生成與大范圍視野掃描覆蓋，后者在需要重點觀察時并行生成多載波信號，為局部區(qū)域臨時“加密采樣”。

　　實驗結(jié)果顯示，在視野范圍內(nèi)，該系統(tǒng)可在預(yù)先選定的重點區(qū)域?qū)崿F(xiàn)約0.012度的角分辨率(以距離100米為例，可分辨硬幣大小的物理間隔)，讓機器擁有了“火眼金睛”。此外，通過波長和頻域資源調(diào)度實現(xiàn)的分辨率擴展方式，也擺脫了一味增加硬件來提升性能的傳統(tǒng)路徑。

　　不僅讓機器“看得清”，研究成果還助力機器視覺“看得豐富”。研究團(tuán)隊介紹，系統(tǒng)在捕捉三維幾何信息的同時，能同步解析目標(biāo)的運動速度、多普勒特征以及反射率信息。

　　該系統(tǒng)還可以通過與可見光相機的協(xié)同感知，把激光雷達(dá)提供的三維幾何結(jié)構(gòu)與相機提供的紋理顏色信息疊加到同一坐標(biāo)系。這樣一來，機器不僅能看見形狀，還能看見外觀，更好地在復(fù)雜動態(tài)環(huán)境中識別目標(biāo)、理解場景。這種“可按需增強局部細(xì)節(jié)”的能力，未來可封裝為傳感器模塊，在盡量不增加體積與功耗的前提下提升關(guān)鍵區(qū)域的探測精度。

　　“作為集成光子學(xué)領(lǐng)域的一個重要突破，這個方案為下一代自動駕駛、具身智能提供了高分辨率、低功耗、高靈活性的‘眼睛’。”王興軍說，“未來，隨著這類芯片化感知模塊與相機、毫米波雷達(dá)等多模態(tài)傳感器進(jìn)一步融合，我們或許會看到擁有昆蟲復(fù)眼視場和鷹眼精度的全能感官，催生出更多仿生機器人的新形態(tài)。”(人民日報 記者 吳丹)