（通讯员：王子豪）近日，新葡京澳门-澳门新葡京官网 超快光子学团队在片上智能激光雷达领域取得重要进展。团队将光学相控阵与偏振分辨光神经网络相结合，使激光雷达在获取目标三维位置的同时，利用回波中的偏振信息识别材料，为提升无人系统的环境感知能力提供了新思路。相关成果以“Optical phased array LiDAR chips towards polarization-resolved 4D sensing”为题，于2026年9月12日在线发表于国际学术期刊《Nature Communications》。

新葡京澳门-澳门新葡京官网 徐淮良教授、孙艳玲教授，集成电路学部张进成教授，以及西安微电子技术研究所范修宏副研究员为论文共同通讯作者，新葡京澳门 王子豪副教授为独立第一作者。新葡京澳门-澳门新葡京官网 为论文第一署名单位。这是学院首次以第一署名单位在《Nature Communications》发表研究论文，标志着学院在集成光子学与智能感知交叉研究方向取得新突破。

提升单点信息量：让激光雷达不仅测位置，还能辨材料

激光雷达是自动驾驶、智能机器人和无人系统感知周围环境的重要手段。它通过发射激光、接收目标回波，测量目标距离、重建三维场景，为导航、避障和目标探测提供支撑。其中，光学相控阵利用芯片上的光学调控实现波束扫描，无需机械转动部件，为激光雷达的小型化和固态化提供了重要途径。

但在获取目标的位置和轮廓后如何进一步辨别其材料，仍是值得探索的问题。传统光学相控阵激光雷达主要依赖距离和回波强度感知目标，对于外形相似、反射强度接近的不同材料，这些信息往往不足以支撑有效区分。同时，受芯片规模和扫描能力限制，系统可获取的有效测点数量有限，单纯依靠增加测点来提高目标辨识能力面临现实困难。

为此，团队从提高单个测点的信息量入手，将偏振信息引入光学相控阵激光雷达。激光与目标相互作用时，回波的偏振状态会受到材料及表面特性的影响，从而携带距离和强度之外的辨识信息。提取这些信息，有助于区分外形相似、强度接近的不同材料目标，使每个测点在提供空间位置信息的同时，也能反映目标的材料特性，为有限测点条件下的多维感知提供新的途径。

图1：偏振分辨光神经网络与光学相控阵激光雷达协同工作的系统原理

将光计算引入接收端：在芯片上完成偏振信息处理

光的偏振信息能够增强目标特征识别能力，但如何快速、高效地处理这些信息，是其融入芯片级激光雷达需要解决的关键问题。随着激光雷达扫描点数和信息维度增加，回波分析对数据传输、计算速度和系统功耗提出了更高要求。

研究团队将偏振分辨光神经网络芯片（PolarONN）与硅光学相控阵芯片协同集成，构建了兼具扫描测距与材料特性判别能力的芯片级光子系统。发射端由光学相控阵控制扫描方向，接收端由PolarONN芯片处理偏振相关回波，并将其中的差异映射为逐点材料类别。

这一架构将偏振感知与光神经网络相结合，直接利用回波中的偏振信息进行光学计算。芯片通过调节光信号的幅度和相位，利用光的相干叠加完成与材料判别相关的运算。这些运算在光电探测之前完成，使传感前端能够承担部分材料判别任务，有望减轻后端的数据处理负担。研究中的偏振处理与推理模块具有ns级响应，电功耗约为72 mw，体现了片上光计算在快速、低功耗处理偏振信息方面的潜力。这两项指标对应偏振处理与推理模块，为高速扫描条件下的逐点属性识别提供了技术支撑。

图2：PolarONN芯片结构、光学相控阵芯片及实验系统

从三维轮廓到材料属性：完成多距离、多场景实验验证

研究团队选取木材、石材和钢材三类代表性材料，开展了多距离、相同几何条件及字母形状目标等实验，验证系统的测距与材料识别能力。在最远10米的多距离场景中，系统实现了三类材料的逐点识别，九组室外实验的总体分类准确率约为91.4%。为进一步验证材料识别并非仅依赖距离和外形差异，团队将几何形状相同的不同材料目标置于同一平面，分别在1米和5米处进行测试，两种距离下的分类准确率均约为90.7%。实验表明，即使目标的几何特征相近，偏振回波仍能为材料区分提供有效信息。

团队还利用分别由钢材、木材和石材构成的“X、D、U”字母目标，展示了空间结构、回波强度与材料标签相结合的点云结果。系统在重建目标三维形貌的同时，为测点赋予相应的材料类别，使目标的位置与属性能够在同一幅点云中呈现。

这项研究所提出的“四维感知”，体现为在三维空间坐标的基础上，增加由偏振信息推断的逐点材料属性。由此，点云能够从目标外形的描述进一步拓展到目标属性的表达，为场景理解提供更丰富的信息。

图3：多距离材料识别结果，以及“XDU”目标的三维重建、材料标签与回波强度分布

面向智能无人系统，探索感知与计算融合的新路径

对于机器人和无人系统而言，识别障碍物的位置只是环境感知的一部分，判断目标的材料和表面属性，同样能够为后续决策提供依据。例如，在工业场景中，材料属性有助于目标分拣和检测；在无人平台作业中，更丰富的目标信息有望辅助环境理解和交互判断。该研究通过偏振信息拓展单个测点的内涵，并利用片上光计算完成属性判别，为提升有限空间采样条件下的场景理解能力提供了新路径，有望服务于智能机器人、无人平台环境感知和工业目标检测等应用。

从光学相控阵扫描、偏振回波处理，到带有材料标签的点云输出，超快光子学团队将集成光子器件、光神经网络与激光雷达感知贯通起来，为感知与计算在芯片级系统中的协同设计提供了实验依据。此次成果也体现了学院在光电信息领域持续开展交叉研究、推进多单位协同创新的成效，为后续高性能智能光电感知技术研究奠定了基础。

该研究由澳门新葡京官网联合西安微电子技术研究所、中国科学院西安光学精密机械研究所、西安机电信息技术研究所和重庆联合微电子开展，得到教育部基础学科和交叉学科突破计划、国家自然科学基金及中央高校基本科研业务费等项目支持。

论文题目：Optical phased array LiDAR chips towards polarization-resolved 4D sensing

论文链接：//doi.org/10.1038/s41467-026-76736-5