Ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Professor Yongkang Dong vom National Key Laboratory of Laser Spatial Information am Harbin Institute of Technology, China, hat ein multifunktionales FMCW-LiDAR-System (Frequency Modulated Continuous Wave) vorgeschlagen, das hochpräzise Entfernungsmessung und Mehrparameter-Erfassung ermöglicht. Diese neuartige Technologie, veröffentlicht in Light: Science & Applications (DOI: 10.37138/lam.2026.102), integriert 3D-Bildgebung mit gleichzeitigen Messungen von Umgebungstemperatur, Gaskonzentrationen und Flüssigkeitsdichte und adressiert kritische Sicherheitsbedenken bei Fahrzeugen mit neuer Energie und Raumfahrzeugen.
Traditionelle FMCW-LiDAR-Systeme sind auf hochpräzise 3D-Bildgebung beschränkt und können weder den internen Batteriezustand noch Umweltparameter erkennen. Bei Elektrofahrzeugen stellt das thermische Durchgehen von Batterien ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar, und eine Frühwarnung erfordert die koordinierte Überwachung mehrerer Parameter wie Temperatur, Elektrolytdichte und charakteristischer Gase. Derzeit werden diese Funktionen von separaten Systemen ausgeführt, was zu hoher Komplexität, erhöhten Kosten und Integrationsherausforderungen führt. Das neue multifunktionale LiDAR adressiert dies, indem es Echosignale aus dem freien Raum und aus Glasfasern erfasst und so eine gleichzeitige Bildgebung und Erfassung über einen einzigen Demodulator ermöglicht.
In Proof-of-Concept-Experimenten bildete das System erfolgreich eine Kunststoffplatte mit einem "HIT"-Symbol in 30 Metern Entfernung ab, mit einstellbarer Auflösung von 0,3 cm bis 1,2 cm. Gleichzeitig wurden die Elektrolytdichte und die Temperatur einer Batterie mit Genauigkeiten von 3×10⁻⁵ g/mL bzw. 0,5 °C gemessen. Die Konzentrationen der für die Überwachung des thermischen Durchgehens kritischen Gase C2H2, CO2 und CH4 wurden mit Nachweisgrenzen von 0,07 ppm, 48 ppm bzw. 0,56 ppm detektiert.
Durch die Integration von FMCW-LiDAR mit optischer Frequenzbereichsreflektometrie (OFDR) nutzt das System dieselbe linear modulierte kontinuierliche Lichtquelle sowohl für die Freiraum-Bildgebung als auch für die faserbasierte Erfassung. Dieser Ansatz bietet hohe räumliche Auflösung und einen großen Dynamikbereich, wodurch er sich für die Messung von Dehnung, Temperatur, Druck und Gaskonzentration eignet. Die Forscher erklären, dass im LiDAR-Modul die Zielentfernung aus dem optischen Weglängenunterschied zwischen dem Kollimator-Reflexionspeak und dem Ziel-Reflexionspeak berechnet wird. Die Reflexionsspektren von Faser-Bragg-Gittern (FBG), Fabry-Perot (FP)-Resonatoren und Multipass-Zellen (MPC) werden aus ihren Reflexionspeaks im Ortsbereich durch inverse Fourier-Transformation demoduliert.
Die Fähigkeit, mit einem einzigen System gleichzeitig 3D-Bildgebung und Mehrparameter-Erfassung durchzuführen, hat bedeutende Auswirkungen auf die Sicherheit von Fahrzeugen mit neuer Energie. Es kann die wichtigsten Funktionen von autonomen Fahrsystemen und Batteriemanagement in einer Einheit vereinen und so Komplexität und Kosten reduzieren. Die Technologie ist auch vielversprechend für Raumfahrtanwendungen, wo die Überwachung von Umweltparametern und struktureller Integrität entscheidend ist.
Das vorgeschlagene multifunktionale FMCW-LiDAR stellt einen bedeutenden Fortschritt in der integrierten Erfassung und Bildgebung dar und bietet eine neue Lösung zur Verbesserung der Sicherheit in aufstrebenden Technologien.
