基于3D激光雷达的SLAM算法研究现状与发展趋势 薛光辉, 李瑞雪, 张钲昊, 刘睿 State-of-the-art and Tendency of SLAM Algorithms Based on 3D LiDAR XUE Guanghui, LI Ruixue, ZHANG Zhenghao, LIU Rui 信息与控制 . 2023, (1): 18 -36 . DOI: 10.13976/j.cnki.xk.2023.2254 . .
三维传感器能像人眼一样感知周围环境并从中获取三维信息。激光雷达(LiDAR)作为一种新型技术，利用激光物理特性，可实现对目标物体进行长距离高精度的实时测量，近年来被广泛应用于自动驾驶、虚拟现实(VR)、无人机、地图测绘、消费电子产品等领域。激光雷达三维传感器的集成化和小型化是其未来的发展趋势。如何研制与开发出高度小型集成化的激光雷达系统，同时兼顾作为三维传感器的优异效果，始终是一个重大挑战，特别是如何在片上实现大视场、高分辨率的激光雷达目前还鲜有方案分析与报导。
近日，清华大学深圳国际研究生院、清华-伯克利深圳学院付红岩副教授受《自然》（Nature）邀请，针对片上激光雷达成像系统发表了重要分析与评述。该文章总结、讨论了目前用于片上激光雷达系统的关键技术，包括课题组近期提出的高速色散扫描方案，并特别针对片上集成的焦平面开关阵列技术，结合未来消费电子、智能城市对于激光雷达系统性能的重要需求，全方面分析讨论了系统的性能与表现，并提出了该技术领域的未来发展方向。
该文章主要对比分析了目前两种用于片上激光雷达的集成波束调控器件，光学相控阵和焦平面开关阵列。文章分析了光学相控阵列的工作机理，并指出了导致其难以大规模密集集成在单颗芯片上的原因。相比之下，焦平面开关阵列使用一个类似相机的光学系统，将目标物所在视场内的每个角度映射到成像透镜后焦平面的每像素上。基于焦平面开关阵列无需单独控制每个像素的相位，而是使用开关来控制每个像素的开合这一特性，文章提出该方案可在单个芯片上实现集成大阵列天线的可能性。文章进一步评论了美国加州伯克利大学Ming C. Wu课题组发表于同期《自然》（Nature）的基于MEMS的大规模焦平面开关阵列激光雷达系统的工作，对其进行了总结和评价。文章积极肯定了128*128像素的天线阵列安装在一个只有指尖大小的芯片上这一重大成果，同时强调了该激光雷达系统的70°×70°的大视场角和16,384的高成像像素的优异性能。除此之外，文章提出受益于MEMS硅光开关控制天线的快速响应时间与微小尺寸，该系统可具有0.6°的双向寻址分辨率、0.05°的光束发散角和亚兆赫兹的操作速度的随机寻址光束转向等出众性能。系统结合了调频连续波测距方法，可以实现距离分辨率为1.7cm的3D成像。文章还结合实际应用场景提出了焦平面开关阵列集成激光雷达系统横向分辨率不足的问题，并给出了通过缩小光学开关尺寸来提升性能的解决方案。最后，文章评价焦平面开关阵列可以在互补金属氧化物半导体(CMOS)代工厂大规模生产，具有很大潜力，尤其在百万像素三维激光雷达和光通信等应用前景广阔。
