Coherent Optical Modems for Full-Wavefield Lidar

要約

デジタル時代の到来により、コヒーレント光モデム、つまり複数の偏光状態で光の振幅と位相を変調するデバイスの開発が推進されました。
これらのモデムは、長さ数千キロメートルの光ファイバー ケーブルを介して、毎秒 1 テラビットを超えるデータ レートでデータを送信します。
この注目すべき技術は、ほぼ THz レートのプログラム可能な制御と光波面全体のセンシングによって可能になりました。
コヒーレント光モデムは世界中の電気通信ネットワークのバックボーンを形成していますが、その並外れた機能により、イメージングのユニークな機会も提供されます。
ここでは、既製のコヒーレント光モデムを再利用して距離、軸速度、偏光を同時に測定する新しいイメージング モダリティである全波面ライダーを紹介します。
我々は、74 GHz 帯域幅のコヒーレント光モデムと自由空間結合光学系および走査ミラーを組み合わせて、このモダリティを実証します。
我々は、このシステムの時間分解画像形成モデルを開発し、モデムの生の送受信シンボルから各シーンポイントで深さ、速度、偏光情報を回復するための最尤再構成アルゴリズムを定式化します。
既存の LIDAR と比較して、全波面 LIDAR は、マイクロ秒の短い露光時間、信頼性の高い速度測定、および周囲光や他の LIDAR 信号からの干渉に対する堅牢性による、ミリスケール測距精度の向上を約束します。

要約(オリジナル)

The advent of the digital age has driven the development of coherent optical modems — devices that modulate the amplitude and phase of light in multiple polarization states. These modems transmit data through fiber optic cables that are thousands of kilometers in length at data rates exceeding one terabit per second. This remarkable technology is made possible through near-THz-rate programmable control and sensing of the full optical wavefield. While coherent optical modems form the backbone of telecommunications networks around the world, their extraordinary capabilities also provide unique opportunities for imaging. Here, we introduce full-wavefield lidar: a new imaging modality that repurposes off-the-shelf coherent optical modems to simultaneously measure distance, axial velocity, and polarization. We demonstrate this modality by combining a 74 GHz-bandwidth coherent optical modem with free-space coupling optics and scanning mirrors. We develop a time-resolved image formation model for this system and formulate a maximum-likelihood reconstruction algorithm to recover depth, velocity, and polarization information at each scene point from the modem’s raw transmitted and received symbols. Compared to existing lidars, full-wavefield lidar promises improved mm-scale ranging accuracy from brief, microsecond exposure times, reliable velocimetry, and robustness to intererence from ambient light or other lidar signals.

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