close
当前位置: SmartTimes > IT技术 > 新闻 >

1550nm+FMCW激光雷达 单一芯片,能让成本减少99%

可以肯定的是,到2019年底,不太会有新的传感技术进入量产,但从明年开始,到2022年,围绕雷达、激光雷达、高精定位等新一代传感器技术将会进入量产周期。

过去几年,自动驾驶公司的竞争,在传感器配置上坦白说并没有太多差异化。除了车载激光雷达属于近几年的产物,类似摄像头、毫米波雷达、GPS、IMU等等都只是一些非革命性的升级换代。

换句话说,今天的传感器还不够成熟,不足以支持未来量产的完全自动驾驶汽车,包括L3等高等级自动驾驶。高工智能汽车陆续推出的《预见2020,下一代自动驾驶传感》系列专题本期关注激光雷达。

激光雷达技术通常使用脉冲激光来测量物体的距离。该系统以极高的速度将激光脉冲反射到物体上——每秒数百万次激光脉冲——并测量从激光反射到光探测器需要多长时间。

 

微信图片_20190919140814.jpg
基于飞行时间法,激光雷达实时计算到目标的距离,利用数百万个数据点生成三维点云,并输出环境“地图”。

目前激光雷达主要是基于两个波长之一的传感器,分别是905纳米和1550纳米。其中,905纳米是目前市场上大多数企业的选择。而在工程师评估激光雷达技术时,研究诸如波长等基本结构特征是很重要的。

而成本一直是该行业增长的主要制约因素。相当数量的初创公司专注于降低这些系统的成本和规模,大多数新成立的公司和老牌公司都在开发905纳米近红外波长的脉冲激光系统,因为其元器件相对成熟。

那么,对于905纳米存在的缺陷有哪些?

首先,905纳米太接近我们能看到的可见光谱,所以在使用的功率级别存在人眼损伤的风险。即使在高功率水平下,905纳米激光雷达也很难在200米外的高速公路上看到高度在10cm左右的物体,比如一个轮胎。

其次,脉冲激光雷达容易与其他激光雷达发生干扰,随着这些系统的广泛应用,将会出现更多的问题。(但这个问题往往是很多汽车制造商还未考虑的问题)

另外,一款真正符合要求的激光雷达还需要考虑下面两个主要因素。

(一)波束引导技术,大多数激光雷达传感器使用以下四种方法之一来将激光束定向到不同的方向:

1、旋转激光雷达。这种方法具有360度覆盖的优势,但由于存在移动部件,很难通过严格的车规级测试。

2、机械扫描激光雷达,使用一面镜子将一束激光定向到不同的方向。这一类的激光雷达使用一种称为微电子机械系统(MEMS)的技术来驱动镜子。

3、光学相控阵激光雷达,使用一排发射器,通过调整信号从一个发射机到下一个发射机的相对相位来改变激光束的方向。

4、闪光激光雷达,用一道闪光照亮整个领域。目前的闪光激光雷达技术使用单一的广角激光,这可能会使它很难达到长距离,因为任何给定的点只获得源激光的一小部分。而多激光闪光系统将有成千上万的激光阵列,每一个都指向不同的方向。

(二)激光雷达测量光到达一个物体并反射回来需要多长时间。有三种基本的方法:

1、飞行时间法,激光雷达发出短脉冲,并测量需要多长时间来检测返回光。

2、调频连续波(FMCW),一种频率随时间稳定变化的连续光束。光束被分成两段,其中一段被发送,然后在反弹回来后与另一段结合。由于源光束有一个稳定变化的频率,光束之间的距离差转化为光束频率的微小差异。这就产生了一个带有拍频的干涉图样,拍频是往返时间(因此也是往返距离)的函数。

FMCW激光雷达能够抵抗来自其他激光雷达单元或太阳的干扰。FMCW激光雷达还可以利用多普勒频移来测量物体的速度和距离。

3、调幅连续波(AMCW),可以看作是上述两种方法之间的折衷。AMCW发出一个信号,然后测量这个信号反弹需要多长时间。不同的是,AMCW发出一个更复杂的模式(例如,一个数字编码为1和0的伪随机流),这使得其比简单的飞行时间法更抗干扰。

激光雷达的最新趋势是使用更长的波长,如1550纳米,它远离我们眼睛吸收的可见光光谱,使眼睛的安全性比905nm高40倍。同时,基于FMCW(调频连续波),具有更高的检测灵敏度和准确度。

采用1550纳米 FMCW的激光雷达系统可以很容易地检测到轮胎或类似的低反射率物体,并把检测距离提高至300多米。这允许车辆在任何天气条件下以每小时70英里的速度停车或换车道。

FMCW技术还可以通过多普勒效应瞬时测量物体的速度。这一点非常重要(能够减少感知的延迟,现有的905纳米需要计算,而并非直接获得距离数据),不仅能够进行预测分析和响应,而且在对象识别中能够从原始点云数据建立和识别不同的对象。

当然,对于坚持使用905纳米的企业,会指出1550纳米无法使用现有的供应链元器件,而是需要定制开发,这无形中增加了成本。尤其是以Velodyne、Cepton为代表的一批企业,坚持905纳米开发。

实现FMCW解决方案的关键挑战是低成本、大批量生产所需的高性能组件。相干方法需要具有长相干长度(窄线宽)的激光器,还需要光的相干处理来提取光子携带的额外信息。

这意味着非常精确和低噪声的光学信号处理(OSP)电路,以形成一个相干的接收器。此外,激光光源的波长稳定性和线性度在测量周期内是至关重要的,否则信噪比会显著降低。

目前,已经有不少企业在开发基于集成电路芯片(InGaAs)的半导体制造工艺,将所有需要的光学功能集成到单个InGaAs芯片中。这意味着将非常复杂的电子电路集成到一个小芯片中,以非常低的成本生产。

Luminar,是全球几家专注于1550纳米激光雷达量产的初创公司之一,该公司目前的融资总额超过2.5亿美元,股东包括沃尔沃和光学玻璃巨头康宁。

按照这家公司的成本测算,后续高性能版本的价格可能不超过1000美元,而针对L2+、L3等应用的低性能版本价格可能会在500美元以内。

国内激光雷达公司中,目前只有镭神智能具备自主研发高端远距离激光雷达优质光源——1550nm高峰值功率脉冲光纤激光器。
同时,其推出的1550nm固态MEMS激光雷达,具备FOV为120°Hx20°V(等效于100线),精度为+/-3cm,探测距离200米以上,300到500米之间(40%反射率)。

另一家企业Innovusion,也使用1550nm激光与大口径多边形相结合,以获得尽可能好的距离和分辨率,从而最大限度地提高可靠性和安全性。去年,该公司获得了约3000万美元的A轮融资。

而Aurora(已经拿到了亚马逊、现代汽车等投资)近期收购的Blackmore公司,同样使用的是基于1550纳米的FMCW技术。

Aurora承认所有传感器都有各自的优缺点,并补充道:“基于我们数十年的行业经验,我们很清楚,激光雷达,特别是Blackmore所取得的进步,是最终传感系统的一部分。”

Aurora的三位创始团队成员,或许也为这个判断“站住脚”。Anderson是特斯拉Autopilot项目的前负责人,Bagnell是Uber自动与感知团队的的前负责人,Urmson则是Google自动驾驶项目的前负责人。

在Aurora看来,Blackmore从光纤通信行业已经证实了技术的可行性。光信号处理将FMCW的高动态范围、单光子灵敏度和抗干扰能力的优势最大化。最重要的是,FMCW支持的逐点速度测量,将使得传统激光雷达的感知算法被改写。

不过,这套产品虽然性能可以达到450米测距,但价格也不低,接近2万美元的成本。考虑到上述三位创始团队成员的经历,如果不是为了博取眼球,足见其非常清楚现有技术的缺陷。

还有一家布局类似技术的,就是通用汽车早年收购的Strobe,芯片级激光雷达将将整个传感器做成单一芯片,能让成本减少99%。同时,能探测300米,数据处理时间低于45毫秒。
正如上一篇文章提到的4D毫米波雷达(类似激光雷达点云的形式),现在激光雷达也往具备毫米波雷达的一些特征(比如,调频测距)方向发展,显示出未来传感器相互交叉增强、方便数据融合、数据校正的趋势。

(责任编辑:ioter)

用户喜欢...