Lidar teknolojisi, mesafeleri hesaplamak ve çevrenin detaylı 3 boyutlu haritalarını oluşturmak için kızılötesi ışık darbeleri kullanıyor. Bu sayede otonom araçlar, önlerindeki nesneleri algılayıp hızlıca tepki verebiliyor. Ancak geleneksel lidar sensörleri genellikle büyük ve maliyetli oluyor, birçoğu da zamanla aşınabilen hareketli parçalara dayanıyor. Bu sınırlamalar, sistemlerin daha geniş bir kullanım alanına yayılmasını zorlaştırıyor.
MIT araştırmacıları şimdi, hiçbir hareketli parça olmadan çalışan daha küçük ve dayanıklı lidar sensörlerinin yolunu açabilecek bir yaklaşım geliştirdi. Bu ilerlemenin merkezinde, elektrik sinyalleri yerine ışığı kontrol eden bir tür yarı iletken cihaz olan yeni bir silikon-fotonik çip yer alıyor.
Silikon-fotonik çiplerle üretilen mevcut lidar sistemleri genellikle dar bir görüş alanına sahip. Bu nedenle, bir sahnenin kenarlarına doğru kalan alanları taramakta zorlanıyorlar. Daha önce bu görüş aralığını genişletmeye yönelik girişimler çoğu zaman ekstra gürültüye ve ölçüm doğruluğunun düşmesine yol açıyordu.
MIT ekibi, bu sorunları, istenmeyen karışmayı (crosstalk) büyük ölçüde sınırlayan entegre bir anten dizisi oluşturarak çözdü. Karışma, komşu antenlerin birbirine müdahale etmesiyle ortaya çıkıyor. Yeni tasarım, çipin diğer silikon-fotonik tabanlı yöntemlere göre daha az gürültü üreterek daha geniş bir görüş alanını taramasına olanak tanıyor.
Daha Geniş Görüşlü, Daha Küçük Bir Lidar Sistemi
Bu ilerleme, otonom araç navigasyonu, havadan haritalama ve inşaat sahalarının izlenmesi gibi zorlu kullanım alanları için daha yetenekli lidar sensörlerinin geliştirilmesini destekleyebilir.
MIT'de Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri (EECS) Robert J. Shillman Kariyer Geliştirme Doçenti, Elektronik Araştırma Laboratuvarı üyesi ve bu yenilik üzerine yayımlanan makalenin kıdemli yazarı Jelena Notaros, "Bu çalışmada gösterdiğimiz işlevsellik, entegre optik faz dizisi teknolojisi için temel bir sorunu çözüyor. Bu sayede gelecekteki lidar sensörleri, daha önce gösteremediğimiz kadar yüksek performansa ulaşabilecek" dedi.
Çalışmada ayrıca başyazar ve EECS yüksek lisans öğrencisi Henry Crawford-Eng ile EECS yüksek lisans öğrencileri Andres Garcia Coleto, Benjamin M. Mazur, Daniel M. DeSantis ve Tal Sneh yer alıyor. Bulgular yakın zamanda Nature Communications dergisinde yayımlandı.
Lidar Çevresini Nasıl Haritalıyor?
Birçok geleneksel lidar sistemi, ışık darbelerini bir sahneye yönlendirmek için büyük bir döner ünite kullanır. Işık yakındaki nesnelere çarptığında, sensöre geri yansır. Geri dönen sinyaller, çevrenin detaylı bir haritasını oluşturmak için gereken bilgiyi sağlar.
Silikon-fotonik tabanlı lidar ise farklı çalışır. Mekanik bir cihazı döndürmek yerine, entegre optik faz dizisi (OPA) olarak bilinen bir sistemle bir ışık huzmesini elektronik olarak birkaç yöne tarar.
Bir OPA'nın kalbinde bir grup entegre anten bulunur. Her anten, uzunluğu boyunca düzenli aralıklarla yerleştirilmiş küçük varyasyonlar içerir. Oluk (corrugation) adı verilen bu özellikler, bir giriş kaynağından gelen ışığın yukarıya doğru saçılmasına ve fotonik çipten dışarı çıkmasına neden olur.
Araştırmacılar, her antene gönderilen ışığın fazını değiştirerek çıkan ışının yönünü kontrol edebilir. Bu fazları ayarlamak, dizinin ışığı hangi açıyla yaydığını değiştirir ve hiçbir fiziksel bileşeni hareket ettirmeden ışını yönlendirmeyi mümkün kılar.
Anten Aralığı Sorunu
Antenleri birbirine yakın yerleştirmek ciddi bir engel oluşturur. Komşu antenler birbiriyle eşleşebilir ve ürettikleri ışığı karıştırabilir. Mühendisler geleneksel olarak bu karışmayı önlemek için antenler arasındaki mesafeyi artırır, ancak daha geniş aralık farklı bir dizi sorunu beraberinde getirir.
Antenler çok uzak olduğunda, dizi aynı ışının farklı açılarda birkaç kopyasını üretir. Birincil ışın, bu ek kopyalardan ayırt edilmesi zorlaşmadan önce yalnızca sınırlı bir mesafe hareket ettirilebilir.
Garcia Coleto, "Bu, görüş alanımızı sınırlıyor. Yani otonom araç artık yalnızca belirli bir açısal aralıkta önünde ne olduğunu biliyor" diye açıklıyor.
Izgara lobları (grating lobes) adı verilen istenmeyen ışın kopyaları, sensörün kafasını karıştırabilir ve yanlış algılamalara neden olabilir. Ayrıca ana ışına yönlendirilebilecek enerjiyi de tüketirler.
Bu ödünleşimin üstesinden gelmek için MIT araştırmacıları, birbirine yakın konumlandırıldıklarında güçlü bir şekilde eşleşmeyen, azaltılmış karışmalı antenler geliştirdi.
Üç Farklı Anten Şekli Karışmayı Azaltıyor
Geleneksel bir OPA'da her anten aynı yapıya sahiptir ve aynı oluk desenini kullanır. Bu eşleşen antenler birbirine yakın yerleştirildiğinde çok güçlü bir şekilde etkileşime girer.
MIT ekibi bunun yerine, farklı şekillere sahip üç antenden oluşan tekrarlayan bir set oluşturdu. Antenlerin genişliğini, olukların boyutunu ve yerleşimini değiştirdiler. Antenler farklı geometrilere sahip olduğu için, her birinin ışığın yapı içinde nasıl hareket ettiğini tanımlayan farklı bir yayılma katsayısı (propagation coefficient) var.
Garcia Coleto, "Antenler çok farklı yayılma katsayılarına sahip olduğu için, onları birbirine yakın koyduğumuzda, her bir anten yanındaki anteni 'görmez'. Bu nedenle komşusuyla eşleşmez" diyor.
Farklı Antenlerin Aynı Şekilde Davranmasını Sağlamak
Karışmayı azaltmak zorluğun sadece bir kısmıydı. Antenlerin farklı yayılma katsayılarına ihtiyacı olmasına rağmen, yine de aynı tutarlılıkta ışık yaymaları gerekiyordu.
Ekip, antenleri üç temel gereksinim etrafında tasarladı. Her anten aynı miktarda ışık yaymalıydı. Her anten, aynı dalga boyunu aldığında ışınını aynı açıda yaymalıydı. Son olarak, ışın yönlendirilirken yayılma açısı tüm dizi boyunca eşit bir şekilde değişmeliydi.
Crawford-Eng, "Karışmayı azaltmak için antenlerin farklı geometrilere sahip olmasını gerektiren bir zorlukla karşı karşıyayız, ancak aynı zamanda antenleri aynı yayılma özelliklerine sahip olacak şekilde tasarlamamız gerekiyor. Bunu mühendislikle başarmak mümkün olsa da son derece zor çünkü tipik olarak farklı geometrilerle tasarlanan antenler farklı davranma eğilimindedir" diyor.
Araştırmacılar, öncelikle radyatif modların nasıl eşleştiğini açıklayan temel elektromanyetik teoriyi geliştirdi. Daha sonra bu teorik çerçeveyi kullanarak antenlerin tasarımına ve bilgisayar simülasyonlarına rehberlik ettiler.
Bu hesaplamalara dayanarak ekip, azaltılmış karışmalı antenleri içeren bir OPA üretti. Antenler, geleneksel bir sisteme göre çok daha yakın yerleştirildi ve tamamlanan cihaz deneysel olarak test edildi.
Karışma Yüzde 100'den Yüzde 1'e Düştü
Deney koşulları altında, tipik bir OPA yaklaşık yüzde 100 oranında eşleşme (coupling) üretecekti. MIT tasarımı bu eşleşmeyi yaklaşık yüzde 1'e düşürürken, yine de tek bir temiz ve hassas ışın üretti.
Sistem, herhangi bir ızgara lobu oluşturmadan ışını geniş bir görüş alanı boyunca doğru bir şekilde yönlendirdi. Geniş tarama, düşük karışma ve güçlü ışın kalitesinin bu kombinasyonu, entegre lidar teknolojisinin karşılaştığı temel engellerden birini çözüyor.
Araştırmacılar şimdi, sistemin daha da geniş bir görüş aralığını kapsayabilmesi için yöntemi iyileştirmeyi planlıyor. Ayrıca, temel teoriyi geliştirirken ortaya çıkan geniş görüş alanı performansına yönelik başka bir olası yaklaşımı da inceliyorlar.
