Multifunktionales frequenzmoduliertes Dauerstrich-LiDAR für gleichzeitige 3D-Bildgebung und Mehrparametermessung

KNOXVILLE, TN, 26. August 2026 /24-7PressRelease/ -- Erstmals wird ein multifunktionales frequenzmoduliertes Dauerstrich-LiDAR (FMCW-LiDAR) vorgeschlagen, das hochpräzise Entfernungsmessung und Mehrparameter-Erfassung ermöglicht. Durch die Erkennung der Echosignale sowohl aus dem freien Raum als auch aus Glasfasern können 3D-Bildgebung und die Messung verschiedener physikalischer Parameter, einschließlich Umgebungstemperatur, Gaskonzentrationen und Flüssigkeitsdichte, gleichzeitig durchgeführt werden. Das vorgeschlagene multifunktionale LiDAR zeigt ein erhebliches Anwendungspotenzial in Bereichen wie neuen Energiefahrzeugen und Raumfahrzeugen.

Mit der rasanten Entwicklung neuer Energiefahrzeuge und autonomer Fahrsysteme werden die Anforderungen an Fahrzeugwahrnehmungssysteme immer strenger. Obwohl herkömmliches FMCW-LiDAR hochpräzise 3D-Bildgebungsfähigkeiten bietet, ist seine Funktionalität begrenzt und es kann weder den internen Batteriezustand noch Umgebungsparameter erkennen. In der Zwischenzeit stellt das thermische Durchgehen von Batterien ein erhebliches Sicherheitsrisiko für Elektrofahrzeuge dar, wobei die Frühwarnung auf der koordinierten Überwachung mehrerer Parameter wie Temperatur, Elektrolytdichte und charakteristischer Gase beruht. Derzeit werden diese Funktionen typischerweise durch separate Bildgebungs- und Sensorsysteme erreicht, was zu hoher Systemkomplexität, erhöhten Kosten und erheblichen Integrationsherausforderungen führt. Daher ist die Entwicklung eines multifunktionalen LiDAR-Systems, das hochpräzise Bildgebung mit Mehrparameter-Umgebungssensorik kombiniert, zu einer dringenden Notwendigkeit geworden, um die Sicherheit des autonomen Fahrens zu verbessern.

In einem neuen Papier, das in Light: Science & Applications veröffentlicht wurde (DOI: 10.37188/lam.2026.102), hat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Yongkang Dong vom National Key Laboratory of Laser Spatial Information, Harbin Institute of Technology, China, Zhengzhou Research Institute, Harbin Institute of Technology, China, und Mitarbeitern erstmals ein multifunktionales FMCW-LiDAR entwickelt, das hochpräzise Entfernungsmessung und Mehrparameter-Erfassung ermöglicht. Durch die Erkennung der Echosignale sowohl aus dem freien Raum als auch aus Glasfasern können 3D-Bildgebung und die Messung verschiedener physikalischer Parameter, einschließlich Umgebungstemperatur, Gaskonzentrationen und Flüssigkeitsdichte, gleichzeitig durchgeführt werden. Im Experiment wurde ein Ziel in 30 m Entfernung mit einer einstellbaren Auflösung von 0,3 cm bis 1,2 cm abgebildet. Gleichzeitig wurden die Elektrolytdichte und die Temperatur einer Batterie mit einer Genauigkeit von 3×10⁻⁵ g/mL bzw. 0,5 °C gemessen. Die Konzentrationen von Gasen (C2H2, CO2 und CH4), die für die Überwachung des thermischen Durchgehens einer Batterie entscheidend sind, wurden mit Nachweisgrenzen von 0,07 ppm, 48 ppm bzw. 0,56 ppm gemessen. Das vorgeschlagene multifunktionale LiDAR zeigt ein erhebliches Anwendungspotenzial in Bereichen wie neuen Energiefahrzeugen und Raumfahrzeugen.

Indem die FMCW-LiDAR-Technologie vom freien Raum in die Glasfasern verlagert wird, wird eine optische Frequenzbereichsreflektometrie (OFDR) realisiert, die für die Sensorik verwendet werden kann. Ähnlich wie FMCW verwendet auch OFDR eine linear modulierte Dauerstrich-Lichtquelle für die Glasfasermessung, und ihr Positionierungsprinzip ist dasselbe. Es hat einzigartige Vorteile einer hohen räumlichen Auflösung und eines großen Dynamikbereichs und wurde für die Erfassung verschiedener Messgrößen wie Dehnung, Temperatur, Druck und Gaskonzentration eingesetzt. Diese Wissenschaftler fassen das Funktionsprinzip ihrer Kamera zusammen:

"Erstmals wird ein multifunktionales FMCW-LiDAR-System vorgeschlagen, das die Fähigkeit zur 3D-Bildgebung von Objekten im freien Raum und zur gleichzeitigen Mehrparameter-Erfassung besitzt. In Konzeptnachweis-Experimenten wurde die Bildgebung einer Kunststoffplatte mit einem 'HIT'-Symbol in 30 m Entfernung realisiert. Schwefelsäurelösung wird als Kandidat für die Überwachung verschiedener Aspekte wie Temperatur und Elektrolytdichte verwendet. Und drei gemischte Gase (C2H2, CO2 und CH4) werden in einer Multipass-Zelle (MPC) zur Überwachung von Gaslecks gefüllt."

"Im LiDAR-Modul kann die Entfernung des Ziels aus dem optischen Pfadunterschied zwischen dem Kollimatorreflexionspeak und dem Zielreflexionspeak berechnet werden. Die Reflexionsspektren im Wellenlängenbereich des FBG, FP und MPC können jeweils aus ihren Reflexionspeaks im räumlichen Bereich durch IFT demoduliert werden.

"Die vorgestellte Technik kann gleichzeitig die Schlüsselfunktionen des autonomen Fahrsystems und des Batteriemanagements des neuen Energiefahrzeugs mit nur einem Demodulator realisieren. Es hat ein breites Anwendungspotenzial im Bereich neuer Energiefahrzeuge, von dem erwartet wird, dass es eine neue integrierte Lösung zur Verbesserung der Sicherheit neuer Energiefahrzeuge bietet", prognostizieren die Wissenschaftler.

Referenzen
DOI
10.37188/lam.2026.102

Originalquellen-URL
https://doi.org/10.37188/lam.2026.102

Förderinformationen
Diese Arbeit wurde unterstützt durch das National Key Research and Development Program of China (Nr. 2023YFF0715804, Nr. 2022YFB3207602), die National Natural Science Foundation of China (Nr. 624B2053, Nr. 62205297), den Postdoctoral Scientific Research Development Fund der Provinz Heilongjiang (Nr. LBH-Q21092) und die National Key Laboratory of Laser Spatial Information Foundation (Nr. LSI2024WDZC003).

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