Lidar texnologiyası məsafələri hesablamaq və ətraf mühitin ətraflı 3D xəritələrini yaratmaq üçün infraqırmızı işıq impulslarından istifadə edir. Bu, muxtar nəqliyyat vasitələrinə yollarındakı obyektləri aşkar etməyə və tez reaksiya verməyə imkan verir. Bununla belə, ənənəvi lidar sensorları çox vaxt böyük və bahalı olur və bir çoxu zamanla köhnələ bilən hərəkətli komponentlərdən istifadə edir. Bu məhdudiyyətlər sistemlərin daha geniş parametrlərdə istifadəsini çətinləşdirir.

MIT tədqiqatçıları artıq hərəkətli hissələr olmadan işləyən daha kiçik və daha davamlı lidar sensorlarına gətirib çıxara biləcək bir yanaşma hazırlayıblar. Onların irəliləyişi elektrik siqnalları əvəzinə işığı idarə edən yarımkeçirici cihaz növü olan yeni bir silikon-fotonik çip üzərində cəmləşib.

Silikon-fotonik çiplərlə qurulmuş mövcud lidar sistemləri adətən dar bir baxış sahəsinə malikdir. Nəticədə, onlar səhnənin kənarlarına doğru yerləşən sahələri skan etməkdə çətinlik çəkirlər. Bu baxış diapazonunu genişləndirmək üçün əvvəlki cəhdlər çox vaxt əlavə səs-küy yaradıb və ölçmə dəqiqliyini azaldıb.

MIT komandası, qonşu antenalar bir-birinə müdaxilə etdikdə baş verən istənməyən çarpaz danışıqları əhəmiyyətli dərəcədə məhdudlaşdıran bir sıra inteqrasiya olunmuş antenalar yaratmaqla bu problemləri həll etdi. Dizayn, çipin digər silikon-fotonika əsaslı metodlara nisbətən daha az səs-küy istehsal edərkən daha geniş bir baxış sahəsini skan etməsinə imkan verir.

Daha Geniş Görünüşə malik Daha Kiçik Lidar Sistemi

Bu irəliləyiş, muxtar nəqliyyat vasitələrinin naviqasiyası, hava xəritələşdirilməsi və tikinti sahələrinin monitorinqi daxil olmaqla, çətin istifadə üçün daha bacarıqlı lidar sensorlarının hazırlanmasını dəstəkləyə bilər.

“Bu işdə nümayiş etdirdiyimiz funksionallıq, inteqrasiya olunmuş optik fazalı massiv texnologiyası üçün fundamental bir problemi həll edir və gələcəkdə lidar sensorlarının əvvəllər nümayiş etdirə biləcəyimizdən xeyli yüksək performans əldə edə biləcəyinə imkan verir”, – deyə MIT-də Robert J. Shillman adına Karyera İnkişafı üzrə Elektrik Mühəndisliyi və Kompüter Elmləri (EECS) üzrə dosent, Elektronika Tədqiqat Laboratoriyasının üzvü və bu yenilik haqqında məqalənin baş müəllifi Yelena Notaros bildirib.

Tədqiqata həmçinin aparıcı müəllif və EECS aspirantı Henri Krouford-Enq, EECS aspirantları Andres Qarsiya Koleto, Benjamin M. Mazur, Daniel M. DeSantis və Tal Sneh daxildir. Nəticələr bu yaxınlarda Nature Communications jurnalında dərc edilib .

Lidar Ətrafını Necə Xəritələşdirir

Bir çox ənənəvi lidar sistemləri işıq impulslarını bir səhnə boyunca yönəltmək üçün böyük bir fırlanan qurğudan istifadə edir. İşıq yaxınlıqdakı obyektlərə dəydikdə, sensora doğru geri əks olunur. Geri dönən siqnallar ətraf mühitin ətraflı xəritəsini yenidən qurmaq üçün lazım olan məlumatları təmin edir.

Silikon-fotonika əsaslı lidar fərqli işləyir. Mexaniki cihazı fırlatmaq əvəzinə, o, işıq şüasını inteqrasiya olunmuş optik fazalı massiv (OPA) adlanan sistemlə bir neçə istiqamətdə elektron şəkildə skan edir.

OPA-nın mərkəzində inteqrasiya olunmuş antenalar qrupu dayanır. Hər bir antenanın uzunluğu boyunca kiçik, müntəzəm olaraq aralıqlarla düzülmüş dəyişikliklər var. Büzmələr kimi tanınan bu xüsusiyyətlər giriş mənbəyindən gələn işığın yuxarıya və fotonik çipdən kənara səpələnməsinə səbəb olur.

Tədqiqatçılar hər bir antenaya göndərilən işığın fazasını dəyişdirərək çıxan şüanın istiqamətini idarə edə bilərlər. Bu fazaların tənzimlənməsi massivin işığı buraxdığı bucağı dəyişdirir və bu da heç bir fiziki komponenti hərəkət etdirmədən şüanı idarə etməyə imkan verir.

Anten Aralığı Problemi

Antenlərin bir-birinə yaxın yerləşdirilməsi ciddi maneə yaradır. Qonşu antenalar bir-biri ilə birləşərək istehsal etdikləri işığı qarışdıra bilər. Mühəndislər ənənəvi olaraq antenalar arasındakı məsafəni artırmaqla bu müdaxilənin qarşısını alıblar, lakin daha geniş məsafə fərqli problemlər yaradır.

Antenlər bir-birindən çox uzaqda olduqda, massiv eyni şüanın müxtəlif bucaqlarda bir neçə nüsxəsini yaradır. Əsas şüa, bu əlavə nüsxələrdən fərqləndirmək çətinləşənə qədər yalnız məhdud bir məsafəyə köçürülə bilər.

“Bu, görmə sahəmizi məhdudlaşdırır, ona görə də muxtar nəqliyyat vasitəsi artıq yalnız müəyyən bir bucaq aralığında qarşısında nə olduğunu bilir”, – deyə Qarsiya Koleto izah edir.

İstənməyən şüa nüsxələri, yəni barmaqlıqlar sensoru çaşdıra və yalan aşkarlamalar yarada bilər. Onlar həmçinin əsas şüaya yönəldilə biləcək enerjini istehlak edirlər.

Bu güzəşti aradan qaldırmaq üçün MIT tədqiqatçıları güclü bir əlaqə olmadan bir-birinə yaxın yerləşdirilə bilən azaldılmış çarpaz danışıq qabiliyyətinə malik antenalar hazırladılar.

Üç Anten Forması Müdaxiləni Azaldır

Ənənəvi OPA-da hər bir anten eyni quruluşa malikdir və eyni büzmə nümunəsindən istifadə edir. Bu uyğun antenalar bir-birinə yaxın yerləşdirildikdə, onlar çox güclü qarşılıqlı təsir göstərir.

MIT komandası bunun əvəzinə fərqli formalara malik təkrarlanan üç anten dəsti yaratdı. Onlar antenaların enini, eləcə də büzmələrin ölçüsünü və yerini dəyişdirdilər. Antenalar fərqli həndəsələrə malik olduğundan, hər birinin fərqli yayılma əmsalı da var ki, bu da işığın strukturdan necə keçdiyini təsvir edir.

“Antenlərin yayılma əmsalları çox fərqli olduğundan, onları bir-birinə yaxın qoyanda, əslində hər bir anten yanındakı antenanı “görmür”. Buna görə də, qonşusu ilə birləşməyəcək”, – deyə Qarsiya Koleto bildirir.

Fərqli Antenlərin Eyni Davranışını Yaratmaq

Muftanın azaldılması çətinliyin yalnız bir hissəsi idi. Antenlərin fərqli yayılma əmsallarına ehtiyacı olsa da, onlar yenə də eyni ardıcıl şəkildə işığı buraxmalı idilər.

Komanda antenləri üç əsas tələb ətrafında dizayn etdi.

Hər bir anten eyni miqdarda işıq yaymalı idi. Hər bir anten eyni dalğa uzunluğunu qəbul edərkən şüasını eyni bucaq altında buraxmalı idi. Nəhayət, şüa yönləndirildikcə şüalanma bucağı bütün massiv üzrə bərabər şəkildə dəyişməli idi.

“Bizim belə bir çətinliyimiz var ki, çarpaz danışığı azaltmaq üçün antenaların fərqli həndəsələrə malik olmasını tələb edirik, lakin eyni zamanda antenaları eyni emissiya xüsusiyyətlərinə malik olmaq üçün dizayn etməliyik. Bunu mühəndislik etmək mümkün olsa da, bu, olduqca çətindir, çünki adətən, antenaların fərqli həndəsələrlə dizayn edildiyi zaman onlar fərqli davranmağa meyllidirlər”, – deyə Krouford-Enq bildirir.

Tədqiqatçılar əvvəlcə şüalanma rejimlərinin necə birləşdiyini təsvir edən əsas elektromaqnit nəzəriyyəsini inkişaf etdirdilər. Daha sonra onlar bu nəzəri çərçivədən antenaların dizaynına və kompüter simulyasiyasına rəhbərlik etmək üçün istifadə etdilər.

Bu hesablamalara əsasən, komanda azaldılmış çarpaz antenaları ehtiva edən bir OPA hazırladı. Antenalar ənənəvi sistemdəkilərdən daha yaxın yerləşdirildi və tamamlanmış cihaz daha sonra eksperimental olaraq sınaqdan keçirildi.

Müdaxilə təxminən 100 faizdən 1 faizə düşür

Təcrübə şərtlərinə əsasən, tipik bir OPA təxminən 100 faizlik birləşmə yarada bilərdi. MIT dizaynı bu birləşməni təxminən 1 faizə endirdi və eyni zamanda bir təmiz və dəqiq şüa yaratdı.

Sistem şüanı geniş baxış sahəsində dəqiq şəkildə istiqamətləndirdi, heç bir barmaqlıq lobları yaratmadı. Geniş skanlama, aşağı müdaxilə və güclü şüa keyfiyyətinin bu kombinasiyası inteqrasiya olunmuş lidar texnologiyasının qarşısında duran əsas maneələrdən birini aradan qaldırır.

Tədqiqatçılar hazırda sistemin daha geniş baxış diapazonunu əhatə edə bilməsi üçün metodu təkmilləşdirməyi planlaşdırırlar. Onlar həmçinin əsas nəzəriyyəni inkişaf etdirərkən ortaya çıxan geniş baxış sahəsində performansa dair başqa bir mümkün yanaşmanı da öyrənirlər.

“Bu iş inteqrasiya olunmuş optik fazalı massivlərdə uzun müddətdir davam edən bir problemi həll edir: eyni zamanda həm sıx anten aralığı tələb edən geniş bir baxış sahəsinə, həm də qonşu antenalar arasında aşağı çarpazlıq tələb edən yüksək şüa keyfiyyətinə nail olmaq. Müəlliflər bu problemi zərif bir anten dizaynı ilə həll edirlər. Onların yeniliyi çip miqyaslı, bərk cisimli şüa idarəetmə texnologiyası üçün irəliyə doğru mühüm bir addımdır”, – deyə Toronto Universitetinin elektrik və kompüter mühəndisliyi professoru və bu işlə məşğul olmayan Maks Plank Mikrostruktur Fizikası İnstitutunun direktoru Coys Pun bildirir.

Tədqiqata qismən Yarımkeçirici Tədqiqat Korporasiyası, Milli Elm Fondu, MIT MathWorks Təqaüdü, ABŞ Hərbi Nazirliyi və MIT Rolf G. Locher Təqaüdü dəstək vermişdir.

İşlərin bir hissəsi MIT.nano imkanlarından istifadə etməklə həyata keçirilib.