世界上最強(qiáng)大的三維激光成像儀正進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域

文/大衛(wèi)·塔爾博特（David Talbot）

世界上最強(qiáng)大的三維激光成像儀正進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域

文/大衛(wèi)·塔爾博特（David Talbot）

機(jī)載激光掃描已在過(guò)去幾年里制造出絕佳的地圖和深度信息。拋開(kāi)別的不說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)揭示了一座消失的中世紀(jì)城市街道網(wǎng)絡(luò)的模糊輪廓。這片街道網(wǎng)絡(luò)湮沒(méi)在柬埔寨吳哥窟周?chē)膮擦种小Ｍ瓿蛇@一壯舉需要20個(gè)小時(shí)的直升機(jī)飛行時(shí)間，來(lái)把370平方公里的土地以1米的分辨率繪制出來(lái)。

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(jī)庫(kù)里，一架龐巴迪渦輪螺旋槳飛機(jī)的機(jī)腹已經(jīng)配備了一種新技術(shù)設(shè)備，可以在約半小時(shí)內(nèi)完成柬埔寨的這項(xiàng)任務(wù)。戴爾·弗里德說(shuō)，機(jī)身裝有一種新型激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有前所未有的速度和高分辨率。弗里德是林肯實(shí)驗(yàn)室里該系統(tǒng)的主要開(kāi)發(fā)者，該實(shí)驗(yàn)室是一家由聯(lián)邦政府出資、麻省理工學(xué)院運(yùn)營(yíng)的研發(fā)中心。

激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射激光并檢測(cè)返回的光子，利用這些反射的時(shí)機(jī)來(lái)測(cè)量距離并繪制三維圖像。這個(gè)新成像系統(tǒng)的核心是一個(gè)微芯片，上面帶有迄今最大的像素陣列——總共16384個(gè)像素，每個(gè)像素只檢測(cè)一個(gè)光子。這個(gè)像素陣列在與光學(xué)透鏡配合使用時(shí)，就能繪制更廣闊區(qū)域的影像。“這些單光子探測(cè)器的陣列能夠非常迅速地為廣闊的區(qū)域繪圖，”弗里德說(shuō)。

在2010年1月海地地震之后，該系統(tǒng)由美國(guó)軍方派遣執(zhí)行過(guò)一次人道主義任務(wù)；一架商業(yè)飛機(jī)攜帶此系統(tǒng)在1萬(wàn)英尺天空僅飛越太子港一次，就能夠以30厘米的精度即時(shí)快照出該城市600平方米的地區(qū)，顯示出散落在城市街道中瓦礫的精確高度。

比起當(dāng)年在吳哥窟使用的系統(tǒng)，四年前這套系統(tǒng)已經(jīng)快到約4倍且細(xì)節(jié)更加豐富。弗里德說(shuō)，但現(xiàn)在漢斯科姆機(jī)庫(kù)里的這套探測(cè)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(xiàng)技術(shù)使用一種名為砷化銦鎵的半導(dǎo)體，在紅外光譜上使用相對(duì)較長(zhǎng)的波長(zhǎng)運(yùn)作，這一波長(zhǎng)允許更高的功率，從而拓展了機(jī)載激光的掃描范圍。

能檢測(cè)單個(gè)光子的像素陣列被制造出來(lái)只有差不多10年左右。在大多數(shù)情況下，最終的成像系統(tǒng)僅限于政府和軍隊(duì)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(jī)機(jī)組人員尋找降落區(qū)。

這項(xiàng)技術(shù)被授權(quán)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(shí)驗(yàn)室，由這兩家把這項(xiàng)技術(shù)加工成產(chǎn)品。2013年，普林斯頓光波首先把在海地使用的成像技術(shù)商業(yè)化。生產(chǎn)出的設(shè)備包大小就像個(gè)鞋盒子，最初價(jià)格高達(dá)15萬(wàn)美元，瞄準(zhǔn)了國(guó)防承包商市場(chǎng)。

不過(guò)，普林斯頓光波首席執(zhí)行官馬克·依茨勒表示，隨著芯片制造過(guò)程的進(jìn)步和價(jià)格的降低，這項(xiàng)技術(shù)可以找到更多的應(yīng)用領(lǐng)域，包括冰川學(xué)、農(nóng)業(yè)和考古學(xué)，甚至還能大規(guī)模進(jìn)入自動(dòng)駕駛汽車(chē)市場(chǎng)。目前，商業(yè)版本的汽車(chē)激光雷達(dá)只能夠觀測(cè)到幾米遠(yuǎn)，價(jià)格卻超過(guò)3萬(wàn)美元，通常還需要一個(gè)笨重的機(jī)械裝置。

當(dāng)許多不同類型的激光雷達(dá)正被考慮用于汽車(chē)時(shí)，銦砷化鎵的方法具有長(zhǎng)期的優(yōu)勢(shì)，它可以被安全地增加到極高的功率水平。當(dāng)前的系統(tǒng)使用硅，在可見(jiàn)光頻率內(nèi)運(yùn)作。其結(jié)果是，將其功率增高到能夠解決重要的任務(wù)，例如在霧蒙蒙的高速路上檢測(cè)到前方200米處的動(dòng)物時(shí)，就會(huì)提高傷害眼睛的風(fēng)險(xiǎn)。“有足夠多的（汽車(chē)供應(yīng)商）將眼睛安全視為一個(gè)長(zhǎng)期問(wèn)題，它們對(duì)于單光子靈敏度技術(shù)非常感興趣，因?yàn)樵摷夹g(shù)可以在眼睛安全得多的波長(zhǎng)下運(yùn)作，”依茨勒說(shuō)。

普林斯頓光波正在與汽車(chē)行業(yè)的主要供應(yīng)商談?wù)搫?chuàng)建一個(gè)早期原型設(shè)備。依茨勒說(shuō)，成本必須被極大壓低，不過(guò)這是有先例的。“高速電信網(wǎng)絡(luò)所使用的第一個(gè)（使用砷化鎵銦的）光接收器價(jià)格5千美元，而這類設(shè)備現(xiàn)在只要10美元，”他提到。

弗里德說(shuō)，不論這項(xiàng)技術(shù)是否被應(yīng)用到汽車(chē)上，消除對(duì)一些移動(dòng)部件的需求，并且開(kāi)發(fā)更大的單光子探測(cè)器陣列，將最終“革命性地降低三維成像技術(shù)的價(jià)格點(diǎn)，程度達(dá)10倍或更多，從而使新的用途成為可能。”

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

來(lái)源：麻省理工科技評(píng)論