【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 近日，西安電子科技大學(xué)光電工程學(xué)院超快光子學(xué)團(tuán)隊(duì)在片上智能激光雷達(dá)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)將光學(xué)相控陣與偏振分辨光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，使激光雷達(dá)在獲取目標(biāo)三維位置的同時(shí)，利用回波中的偏振信息識(shí)別材料，為提升無(wú)人系統(tǒng)的環(huán)境感知能力提供了新思路。相關(guān)成果以“Optical phased array LiDAR chips towards polarization-resolved 4D sensing”為題，于2026年9月12日在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》。
 

　　西安電子科技大學(xué)光電工程學(xué)院徐淮良教授、孫艷玲教授，集成電路學(xué)部張進(jìn)成教授，以及西安微電子技術(shù)研究所范修宏副研究員為論文共同通訊作者，光電工程學(xué)院王子豪副教授為獨(dú)立第一作者。西安電子科技大學(xué)光電工程學(xué)院為論文第一署名單位。這是學(xué)院首次以第一署名單位在《Nature Communications》發(fā)表研究論文，標(biāo)志著學(xué)院在集成光子學(xué)與智能感知交叉研究方向取得新突破。
 

　　提升單點(diǎn)信息量：讓激光雷達(dá)不僅測(cè)位置，還能辨材料
 

　　激光雷達(dá)是自動(dòng)駕駛、智能機(jī)器人和無(wú)人系統(tǒng)感知周圍環(huán)境的重要手段。它通過(guò)發(fā)射激光、接收目標(biāo)回波，測(cè)量目標(biāo)距離、重建三維場(chǎng)景，為導(dǎo)航、避障和目標(biāo)探測(cè)提供支撐。其中，光學(xué)相控陣?yán)眯酒系墓鈱W(xué)調(diào)控實(shí)現(xiàn)波束掃描，無(wú)需機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，為激光雷達(dá)的小型化和固態(tài)化提供了重要途徑。
 

　　但在獲取目標(biāo)的位置和輪廓后如何進(jìn)一步辨別其材料，仍是值得探索的問(wèn)題。傳統(tǒng)光學(xué)相控陣激光雷達(dá)主要依賴距離和回波強(qiáng)度感知目標(biāo)，對(duì)于外形相似、反射強(qiáng)度接近的不同材料，這些信息往往不足以支撐有效區(qū)分。同時(shí)，受芯片規(guī)模和掃描能力限制，系統(tǒng)可獲取的有效測(cè)點(diǎn)數(shù)量有限，單純依靠增加測(cè)點(diǎn)來(lái)提高目標(biāo)辨識(shí)能力面臨現(xiàn)實(shí)困難。
 

　　為此，團(tuán)隊(duì)從提高單個(gè)測(cè)點(diǎn)的信息量入手，將偏振信息引入光學(xué)相控陣激光雷達(dá)。激光與目標(biāo)相互作用時(shí)，回波的偏振狀態(tài)會(huì)受到材料及表面特性的影響，從而攜帶距離和強(qiáng)度之外的辨識(shí)信息。提取這些信息，有助于區(qū)分外形相似、強(qiáng)度接近的不同材料目標(biāo)，使每個(gè)測(cè)點(diǎn)在提供空間位置信息的同時(shí)，也能反映目標(biāo)的材料特性，為有限測(cè)點(diǎn)條件下的多維感知提供新的途徑。
 

　　將光計(jì)算引入接收端：在芯片上完成偏振信息處理
 

　　光的偏振信息能夠增強(qiáng)目標(biāo)特征識(shí)別能力，但如何快速、高效地處理這些信息，是其融入芯片級(jí)激光雷達(dá)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。隨著激光雷達(dá)掃描點(diǎn)數(shù)和信息維度增加，回波分析對(duì)數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算速度和系統(tǒng)功耗提出了更高要求。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)將偏振分辨光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片(PolarONN)與硅光學(xué)相控陣芯片協(xié)同集成，構(gòu)建了兼具掃描測(cè)距與材料特性判別能力的芯片級(jí)光子系統(tǒng)。發(fā)射端由光學(xué)相控陣控制掃描方向，接收端由PolarONN芯片處理偏振相關(guān)回波，并將其中的差異映射為逐點(diǎn)材料類別。
 

　　這一架構(gòu)將偏振感知與光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，直接利用回波中的偏振信息進(jìn)行光學(xué)計(jì)算。芯片通過(guò)調(diào)節(jié)光信號(hào)的幅度和相位，利用光的相干疊加完成與材料判別相關(guān)的運(yùn)算。這些運(yùn)算在光電探測(cè)之前完成，使傳感前端能夠承擔(dān)部分材料判別任務(wù)，有望減輕后端的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)。研究中的偏振處理與推理模塊具有ns級(jí)響應(yīng)，電功耗約為72 mw，體現(xiàn)了片上光計(jì)算在快速、低功耗處理偏振信息方面的潛力。這兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)偏振處理與推理模塊，為高速掃描條件下的逐點(diǎn)屬性識(shí)別提供了技術(shù)支撐。
 

　　從三維輪廓到材料屬性：完成多距離、多場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
 

　　研究團(tuán)隊(duì)選取木材、石材和鋼材三類代表性材料，開展了多距離、相同幾何條件及字母形狀目標(biāo)等實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)距與材料識(shí)別能力。在最遠(yuǎn)10米的多距離場(chǎng)景中，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三類材料的逐點(diǎn)識(shí)別，九組室外實(shí)驗(yàn)的總體分類準(zhǔn)確率約為91.4%。為進(jìn)一步驗(yàn)證材料識(shí)別并非僅依賴距離和外形差異，團(tuán)隊(duì)將幾何形狀相同的不同材料目標(biāo)置于同一平面，分別在1米和5米處進(jìn)行測(cè)試，兩種距離下的分類準(zhǔn)確率均約為90.7%。實(shí)驗(yàn)表明，即使目標(biāo)的幾何特征相近，偏振回波仍能為材料區(qū)分提供有效信息。
 

　　團(tuán)隊(duì)還利用分別由鋼材、木材和石材構(gòu)成的“X、D、U”字母目標(biāo)，展示了空間結(jié)構(gòu)、回波強(qiáng)度與材料標(biāo)簽相結(jié)合的點(diǎn)云結(jié)果。系統(tǒng)在重建目標(biāo)三維形貌的同時(shí)，為測(cè)點(diǎn)賦予相應(yīng)的材料類別，使目標(biāo)的位置與屬性能夠在同一幅點(diǎn)云中呈現(xiàn)。
 

　　這項(xiàng)研究所提出的“四維感知”，體現(xiàn)為在三維空間坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，增加由偏振信息推斷的逐點(diǎn)材料屬性。由此，點(diǎn)云能夠從目標(biāo)外形的描述進(jìn)一步拓展到目標(biāo)屬性的表達(dá)，為場(chǎng)景理解提供更豐富的信息。
 

　　面向智能無(wú)人系統(tǒng)，探索感知與計(jì)算融合的新路徑
 

　　對(duì)于機(jī)器人和無(wú)人系統(tǒng)而言，識(shí)別障礙物的位置只是環(huán)境感知的一部分，判斷目標(biāo)的材料和表面屬性，同樣能夠?yàn)楹罄m(xù)決策提供依據(jù)。例如，在工業(yè)場(chǎng)景中，材料屬性有助于目標(biāo)分揀和檢測(cè)；在無(wú)人平臺(tái)作業(yè)中，更豐富的目標(biāo)信息有望輔助環(huán)境理解和交互判斷。該研究通過(guò)偏振信息拓展單個(gè)測(cè)點(diǎn)的內(nèi)涵，并利用片上光計(jì)算完成屬性判別，為提升有限空間采樣條件下的場(chǎng)景理解能力提供了新路徑，有望服務(wù)于智能機(jī)器人、無(wú)人平臺(tái)環(huán)境感知和工業(yè)目標(biāo)檢測(cè)等應(yīng)用。
 

　　從光學(xué)相控陣掃描、偏振回波處理，到帶有材料標(biāo)簽的點(diǎn)云輸出，超快光子學(xué)團(tuán)隊(duì)將集成光子器件、光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與激光雷達(dá)感知貫通起來(lái)，為感知與計(jì)算在芯片級(jí)系統(tǒng)中的協(xié)同設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。此次成果也體現(xiàn)了學(xué)院在光電信息領(lǐng)域持續(xù)開展交叉研究、推進(jìn)多單位協(xié)同創(chuàng)新的成效，為后續(xù)高性能智能光電感知技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。
 

　　該研究由西安電子科技大學(xué)聯(lián)合西安微電子技術(shù)研究所、中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所、西安機(jī)電信息技術(shù)研究所和重慶聯(lián)合微電子開展，得到教育部基礎(chǔ)學(xué)科和交叉學(xué)科突破計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目支持。
 

　　引用：光電工程學(xué)院超快光子學(xué)團(tuán)隊(duì)在偏振感知與片上光計(jì)算融合研究方面取得新進(jìn)展-光電工程學(xué)院-西安電子科技大學(xué)【引用時(shí)間：2026年9月30日】