光子集成电路可实现大规模并行激光雷达

2026-07-14

光子集成电路（PIC）实现了测量架构，将并行光学传感转变为可用的工程工具，具有更快的设置速度、更广泛的空间感知能力，以及在第一次测试中更有可能捕获正确信息。

Ommatidia LiDAR 的 Q2 激光雷达已部署用于非接触式现场测量

激光雷达系统通常以一些常见的顶级指标来评判，例如测量距离、光斑大小或扫描速度。然而，对于振动和精密测量工作而言，根本问题有所不同：在同一物理事件发生期间，系统能够从场景中捕获多少有用的动态信息？

在结构测试、工业诊断和瞬态响应的研究装置中，这个问题至关重要。如果仪器一次只能采集一个点的数据，测试工程师就不得不在空间覆盖范围和时间精度之间做出权衡。快速事件、不断变化的激励和运行条件都会使这种权衡变得代价高昂。

Ommatidia LiDAR（激光雷达）采用专为大规模并行光学采集而设计的光子集成电路（PIC）架构，解决了这一限制。该系统并非通过单一的顺序光束路径传输整个测量流程，而是分配多个光学通道，从而可以同时观测多个点。实际上，它最多可支持 128 个通道（取决于配置）同时进行测量。

并行采集意味着可以将结构视为一个空间系统，而不是一系列孤立点。对于振动研究而言，它使得在同一事件中即可研究模态成分、相位关系和局部动态行为，而无需通过重复运行进行重建。

该架构位于更广泛的激光雷达和激光多普勒测振仪 (LDV) 工作流程中，它将光子集成、相干检测和调频连续波 (FMCW) 测距概念与非接触式振动测量相结合，从而创建了一个平台，该平台可以获取几何和动态信息，同时与传感器繁多的测试配置相比，设置相对简单。

理解PIC价值的一个有效方法是从传统光学测量的瓶颈入手。传统的顺序测量系统虽然精度很高，但由于仪器必须逐点扫描，其精度受到限制。如果激励随时间变化，操作人员可能需要重复测试或做出额外的假设才能获得完整的图像。

并行光通道可直接缓解此问题。在同一时间窗口内对结构的多个部分进行采样，因此工程师可以了解响应在整个资产上的分布情况，而无需通过重复的单点测量来推断。这在运行模态分析、现场振动测量以及任何受环境限制而难以重复测量的场景中尤为重要。

光子集成在系统层面也发挥着重要作用。通过将光处理路径整合到专用的基于光子集成电路（PIC）的架构中，我们可以并行分析多个通道，而无需将仪器变成复杂的实验室专用平台。因此，并行测量的商业价值不仅在于更高的通道数，还在于其能够移植到严格控制的研究实验室之外的实际工作流程中。

应用范围十分广泛。在结构监测方面，同步通道有助于捕捉桥梁、塔架和大型测试件上的分布式运动。在工业诊断方面，这使得工程师无需在机器上安装接触式传感器，即可识别局部振动热点、电磁效应或振型。在产品开发和验证方面，由于只需更少的重复采集即可了解空间响应，因此缩短了从测量到结果解读的路径。

我们对该平台的定位也体现了这种实用性。这项技术旨在为需要在真实运行条件下从真实资产获取密集型非接触式数据的工程师提供服务。该系统并非将光子集成视为抽象的芯片概念，而是利用光子集成电路（PIC）来增强终端仪器在现场的实际应用能力。

这就是光子集成电路（PIC）如此重要的原因。人们通常从小型化或未来潜力的角度讨论PIC，但它的价值在此更为具体。PIC能够实现一种测量架构，将并行光学传感转化为实用的工程工具。其优势不仅在于更精简的器件设计，还在于更快的设置速度、更广的空间感知能力，以及在首次测试中更有可能获取到正确的信息。

Q2激光雷达硬件用于大规模并行光学测量工作流程

另一个实际好处是测量置信度。当所有通道在同一事件中都被采集时，工程师无需再去猜测响应的局部变化是由实际的结构行为引起的，还是由于扫描到达该点的时间不同所致。时间相干测量采集虽然不能完全消除所有解释上的难题，但它确实消除了顺序光学测试中最持久的歧义来源之一。

在理想的实验室条件之外，这一点尤为重要。对于野外作业，激励可能来自环境风、运转的机械、车辆通行、传动系统耦合或自然变化的载荷。这些激励源通常难以完美重复。如果仪器需要重复进行单点采集才能构建空间图，则重建结果可能难以代表真实情况。并行光学架构可以降低对重复性的依赖性。

从工程工作流程的角度来看，它改变了非接触式测试的经济效益。重建空间图像所花费的时间减少，意味着有更多的时间用于解释物理现象。团队可以更快地从数据采集过渡到模型关联、诊断或设计反馈。在许多情况下，这比传统规格指标的微小提升更有价值。

集成光子学通常被认为是在组件层面取得了成功，但仍缺乏令人信服的终端市场前景。大规模并行激光雷达恰恰提供了这样的前景，因为光子集成电路（PIC）与仪器的差异化性能直接相关。光学集成并非仅仅为了制造便利而隐藏在内部，而是体现在同时通道数、更高的时间相干性以及更具可扩展性的分布式传感路径等方面。

对于越来越重视动态性能、结构完整性和高效非接触式检测的行业而言，这是一项意义重大的转变。当系统能够同时观测多个点时，激光雷达不再局限于逐点测量，而是能够进行全场景测量，而PIC（光电探测器）则使这种转变成为可能。

文章来源：laserfocusworld，作者Oscar R. Enríquez博士是Ommatidia LiDAR的产品专家，致力于支持先进光学振动测量和计量系统在实际工程环境中的应用。