不同的激光雷达技术及相关公司

在性能、价格和可扩展性方面,不同激光雷达技术的进一步创新有望成为未来十年自动驾驶的最重要因素

作者 / Astroys 出品 / 公众号“Astroys”(ID:Astroys)

激光雷达在汽车领域中是一项关键但颇有争议的技术。激光雷达虽广泛用于航空和海洋领域,但其高昂的成本已引起人们对其在汽车领域中应用的质疑。自动驾驶中的雷达、超声波传感器或摄像头等其他现有技术相对便宜,而激光雷达的高分辨率在弱光条件下又很强大。

或许多数人都已经较熟悉了,但我们还是从头开始对自动驾驶汽车(AV)中所采用的各类传感器的特性对比梳理一下。

AV通常采用多种传感器技术(传感器融合)根据气候和光照条件绘制周围的远景和近景地图。超声波和激光雷达之间的主要区别是,超声波在几米以外会变得较弱,通常适用于近距离物体检测。

尽管摄像头的价格便宜且技术较成熟,但该功能在很大程度上取决于环境光条件,并且需要大量处理才能提取信息。但摄像头是区分和理解颜色的传感器,因此在识别交通信号和道路标志中不可或缺。

虽然雷达和激光雷达在许多方面具有相似的功能,雷达在恶劣的环境光线或云层覆盖下是更好的选择,但激光雷达的波长允许它以三维形式绘制对象并准确计算出其测量值。

激光雷达的基本概念是,传感器向各个方向发出激光束,这些激光束在撞击物体后会反弹回来。由于光线以已知的速度传播,因此根据光线反弹所需的时间来计算到物体的距离。首先,让我们了解两种测量激光雷达的不同方法。

飞行时间(TOF)– 物体发出短脉冲并反弹回来的时间。通过测量时间差,计算出距离。

连续波(CW)– 发出连续的光波。“相移”是一种将连续波分成两束,一束对准目标并反弹回接收器,另一束作为参考信号指向接收器的方法。通过测量两个光束之间的相移来计算距离。调频连续波(FMCW)方法使用与相移相同的原理,但是随着信号的变化,频率会不断变化。通过测量频率差来计算距离。

激光雷达系统通常基于905nm或1550nm波长,但也有基于850nm、905nm、940nm和1550nm波长的激光雷达系统。 

激光雷达技术类型

光束控制(Beam-steering):顾名思义,这是控制激光束指向不同方向的过程,包括机械式扫描设计和MEMS。机械扫描是通过旋转整个系统或旋转运动部件来完成的,它已用于较早的自动驾驶项目,并且是目前最成熟的技术。MEMS系统使用反射镜,这些反射镜在施加电压时会倾斜角度变化。扫描速度很快,但容易受到热冲击和潮湿。与机械扫描相比,MEMS的FoV也更窄。

Velodyne的主要产品就是机械扫描系统。上个月,该公司推出了采用环视技术的下一代激光雷达Alpha Prime,它为货运和机器人技术等自动驾驶市场提供了感知、FoV和范围解决方案。Velodyne一直在与福特和通用合作。前不久,现代摩比斯宣布,Velodyne将为其L3车辆提供激光雷达。电装和Veoneer也是开发此技术的顶级Tier 1,电装和Luminar正在为丰田开发不同的激光雷达。

电子扫描或数字扫描是在没有移动部件的情况下进行的扫描。这是一个使用激光/探测器阵列并以数字方式扫描整个FoV的激光雷达系统。光学相位调制是一种使用光学相控阵或液晶进行相位调制的方法。光学相位调制器控制通过透镜的光速。

非扫描激光雷达过程包括2D/3D flash和basic flash。与basic falsh激光雷达相比,2D/3D flash具有更高的分辨率和更多像素。当前,basic flash激光雷达已在市场上销售,在某些车辆中用于一维距离测量,最适合30m之内的短距应用,且功耗高。

LeddarTech、大陆、法雷奥和松下都是开发flash激光雷达的公司。2019年9月,LeddarTech推出了3D flash激光雷达Leddar Pixell。

基于非扫描和无移动部件扫描的激光雷达系统称为固态激光雷达。它没有旋转的机械组件,并且降低了FoV,价格也更便宜。一些公司经常将其术语与MEMS激光雷达互换。去年9月,速腾推出了用于自动驾驶应用的RS-LiDAR-M1固态激光雷达的量产版本。Velodyne也正在集中开发这项技术。

发射器(Emitter):激光雷达发射器技术可分为LED、光纤激光器和半导体激光器。LED激光雷达系统通常用于诸如座舱内监控之类的车载应用中,功耗非常低。

在1550nm波段工作的光纤激光器被认为比在传统激光雷达系统中使用的905nm二极管激光器更安全。这就能以更高的分辨率和更高的功率工作。它还可以实现AV的远程感知。Luminar一直在开发光纤激光雷达。去年,它与奥迪的子公司AID(Autonomous Intelligent Driving)合作,提供了前向远程激光雷达技术。

半导体激光器根据二极管的结构进行分类。边缘发射是水平发射,激光沿晶圆表面的方向射出。当垂直于晶圆表面发射激光时,称为表面发射。垂直腔表面发射激光器(VCSEL)是表面发射的一个例子。尽管边缘发射的时间比VCSEL长,但很难将其集成到车辆中。

TriLumina是开发倒装芯片VCSEL技术的重要玩家。2019年6月,它揭开了自称是全球第一款不需要底座或键合线的表面贴装倒装芯片背发射VCSEL阵列的面纱。

探测器:激光雷达探测器包含吸收光子并产生电流以进行信号处理的光电二极管。光电二极管是具有p-i-n结构的半导体器件,专门用于光探测。探测器技术主要分为PIN光电二极管,它们由高掺杂的p层和n层之间的未掺杂本征层组成。雪崩光电二极管(APD)是一种以相对较高的反向电压工作的光电探测器,可以带来更好的增益和更好的信噪比。单光子雪崩二极管(SPAD)与APD相似,但SPAD经过专门设计,可在远高于击穿电压的反向偏置电压下工作,且比APD灵敏。

欧司朗参与了这项技术的开发,并且是大陆basic flash激光雷达的激光器和PIN供应商。欧司朗因Vixar的VCSEL技术于2018年对其进行了收购。此外,在一些初创公司中,滨松和Sense Photonics也值得关注。

Aeye也是一家值得关注的新兴公司,他们背后有海拉和LG的支持。它的解决方案基于摄像头和称为iDar的数据的组合。 

后记

与其他技术相比,在AV领域中集成激光雷达的最大挑战无疑是成本。例如,光纤激光器的价格可能超过1,000美元,这使其在汽车市场推广就很难。一旦产量增加,成本就会降低。对于ADAS系统中的远程激光雷达,成本可能在300-500美元之间,而短距激光雷达的成本在100-250美元之间。一些公司甚至要求成本在100美元。但就目前的水平来说还有待于成本的进一步大幅降低。

虽然很难预测哪种激光雷达技术将主导市场,但激光雷达无疑将是一块快速增长的市场。

本文已注明来源和出处,版权归作者所有,如有侵权,您可以告知我们(点击此处)

参与评论

请输入你的评论!
请在这里输入你的名字