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仿生相干激光雷达问世,机器也可实现“凝视”式智能感知
日期:2026-01-08  人气:502

      前几日,北京大学王兴军教授-舒浩文研究员团队、香港城市大学王骋教授团队及上海交通大学周林杰教授团队联合攻关,在国际权威期刊《Nature Communications》在线发表题为“Integrated bionic LiDAR for adaptive 4D machine vision”的重磅研究成果。

      团队创新性提出并验证了受人眼视觉机制启发的集成式仿生FMCW激光雷达新架构,首次在芯片尺度实现具备“凝视”能力的自适应并行4D成像系统,更通过与相机协同感知达成4D-plus机器视觉表达,为下一代智能感知技术开辟了“高分辨率、低功耗、高灵活性”的全新路径。

      在自动驾驶、具身智能与低空智能系统等新兴领域飞速发展的今天,机器视觉正经历从“能看见”到“看得清、看得快、看得全”的本质跨越。这一升级需求对传感系统提出了双重挑战:既要在大视场范围内实现持续态势感知,又要为关键目标与区域提供高分辨率、低时延、多维度的信息支撑,高分辨率、低功耗、可扩展并行化成为下一代机器视觉的核心诉求。激光雷达作为其核心传感器,其性能提升却陷入困境。



      传统架构提升分辨率往往依赖全视场“堆更多通道、堆更高采样点频”的粗放式扩展,导致光电器件数量、后端高速电子学的带宽与采样处理需求同步攀升,从而在成本、功耗与复杂度上快速逼近工程边界。这一矛盾在FMCW激光雷达上表现得更为突出。FMCW技术本身具备高精度测距、强抗干扰能力,且可同步获取距离与速度等多维信息,但相干链路对光源线宽、调频线性度与相位稳定性提出了更为严苛的要求,导致单通道链路复杂度与实现成本显著高于非相干方案。

      

      因此,行业内常见的“空间维度高密度堆叠通道”扩展路径在FMCW体系下更难直接复制,其边际代价更早显现,系统在器件规模、封装堆叠与热管理等方面的工程负担也难以持续承受。 

     

       对此,研究团队将目光投向了自然界最精妙的视觉系统——人眼。人眼并非在全视野都保持最高分辨率,而是通过“外围视野+凝视焦点”的高效协作机制,在有限能耗下实现了卓越的视觉感知。这给了研究团队关键启发:能否利用相干激光雷达技术的高灵敏度优势,让系统也具备类似的“凝视”能力,将宝贵的探测资源动态、集中地投入最关键的区域?




      基于这一仿生逻辑,研究团队提出“微并行”新架构,成功研制并验证了具备动态凝视能力的并行FMCW激光雷达原型系统。


                                                                                                                                                                  

      该架构的核心突破在于,证明了高分辨率成像不必再单纯依赖空间维度的高密度通道堆叠,而是可以通过波长/频域的可重构资源调度,实现更高效的分辨率扩展。

      

      实验结果显示,该系统在局部感兴趣区域内实现了0.012°的角分辨率,同时在同一系统中兼顾了大视场覆盖与高精细成像需求。更为关键的是,薄膜铌酸锂电光频梳与可宽谱调谐外腔激光器的创新结合,使系统在架构层面实现了“视场覆盖能力”与“局部分辨率需求”的解耦:外腔激光器提供大范围视点移动以保证全局覆盖,电光频梳则在目标区域按需提升采样密度,从而实现“看得广”与“看得清”的协同优化,完美复刻了人眼的高效感知机制。

      

      在“微并行”架构的基础上,研究团队进一步演示了首个基于集成光梳的实时并行4D成像系统。该系统不仅能够精准获取目标的三维几何信息,还可同步解析目标的速度与反射率信息,实现时空四维数据的同步采集与处理。团队将该激光雷达与可见光相机开展多模态融合。通过多模态融合,可为激光雷达点云“上色”,补足其难以获取的颜色等外观信息,从而生成更丰富、更明确的四维场景,极大提升机器对复杂环境的理解与解释能力。





      该研究提出的“微并行”相干激光雷达架构,为构建集成化、可部署的高分辨率探测模块提供了全新思路。这类具备可重构、可组合特性的感知模块,未来通过多模块协同与多模态融合,有望催生出更多形态的仿生机器视觉系统。
      
      该集成式仿生激光雷达架构具备良好的可扩展性和芯片级集成潜力,将为下一代智能驾驶、机器人、无人系统以及空天地一体化感知网络提供重要的技术支撑,推动智能感知技术在更多前沿场景实现突破性应用。
 
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