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不同的激光雷達(dá)技術(shù)及相關(guān)公司

2020-01-06 09:12:28·  來源：Astroys  
　
在性能、價(jià)格和可擴(kuò)展性方面，不同激光雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新有望成為未來十年自動(dòng)駕駛的最重要因素激光雷達(dá)在汽車領(lǐng)域中是一項(xiàng)關(guān)鍵但頗有爭議的技術(shù)。激光雷達(dá)雖
在性能、價(jià)格和可擴(kuò)展性方面，不同激光雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新有望成為未來十年自動(dòng)駕駛的最重要因素
 
激光雷達(dá)在汽車領(lǐng)域中是一項(xiàng)關(guān)鍵但頗有爭議的技術(shù)。激光雷達(dá)雖廣泛用于航空和海洋領(lǐng)域，但其高昂的成本已引起人們對(duì)其在汽車領(lǐng)域中應(yīng)用的質(zhì)疑。自動(dòng)駕駛中的雷達(dá)、超聲波傳感器或攝像頭等其他現(xiàn)有技術(shù)相對(duì)便宜，而激光雷達(dá)的高分辨率在弱光條件下又很強(qiáng)大。
 
或許多數(shù)人都已經(jīng)較熟悉了，但我們還是從頭開始對(duì)自動(dòng)駕駛汽車（AV）中所采用的各類傳感器的特性對(duì)比梳理一下。
 
AV通常采用多種傳感器技術(shù)（傳感器融合）根據(jù)氣候和光照條件繪制周圍的遠(yuǎn)景和近景地圖。超聲波和激光雷達(dá)之間的主要區(qū)別是，超聲波在幾米以外會(huì)變得較弱，通常適用于近距離物體檢測(cè)。
 
盡管攝像頭的價(jià)格便宜且技術(shù)較成熟，但該功能在很大程度上取決于環(huán)境光條件，并且需要大量處理才能提取信息。但攝像頭是區(qū)分和理解顏色的傳感器，因此在識(shí)別交通信號(hào)和道路標(biāo)志中不可或缺。
 
雖然雷達(dá)和激光雷達(dá)在許多方面具有相似的功能，雷達(dá)在惡劣的環(huán)境光線或云層覆蓋下是更好的選擇，但激光雷達(dá)的波長允許它以三維形式繪制對(duì)象并準(zhǔn)確計(jì)算出其測(cè)量值。
 
激光雷達(dá)的基本概念是，傳感器向各個(gè)方向發(fā)出激光束，這些激光束在撞擊物體后會(huì)反彈回來。由于光線以已知的速度傳播，因此根據(jù)光線反彈所需的時(shí)間來計(jì)算到物體的距離。首先，讓我們了解兩種測(cè)量激光雷達(dá)的不同方法。
 
飛行時(shí)間（TOF）– 物體發(fā)出短脈沖并反彈回來的時(shí)間。通過測(cè)量時(shí)間差，計(jì)算出距離。
 
連續(xù)波（CW）– 發(fā)出連續(xù)的光波。“相移”是一種將連續(xù)波分成兩束，一束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)并反彈回接收器，另一束作為參考信號(hào)指向接收器的方法。通過測(cè)量兩個(gè)光束之間的相移來計(jì)算距離。調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）方法使用與相移相同的原理，但是隨著信號(hào)的變化，頻率會(huì)不斷變化。通過測(cè)量頻率差來計(jì)算距離。
激光雷達(dá)系統(tǒng)通?；?05nm或1550nm波長，但也有基于850nm、905nm、940nm和1550nm波長的激光雷達(dá)系統(tǒng)。 

激光雷達(dá)技術(shù)類型
光束控制（Beam-steering）：顧名思義，這是控制激光束指向不同方向的過程，包括機(jī)械式掃描設(shè)計(jì)和MEMS。機(jī)械掃描是通過旋轉(zhuǎn)整個(gè)系統(tǒng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件來完成的，它已用于較早的自動(dòng)駕駛項(xiàng)目，并且是目前最成熟的技術(shù)。MEMS系統(tǒng)使用反射鏡，這些反射鏡在施加電壓時(shí)會(huì)傾斜角度變化。掃描速度很快，但容易受到熱沖擊和潮濕。與機(jī)械掃描相比，MEMS的FoV也更窄。
 
Velodyne的主要產(chǎn)品就是機(jī)械掃描系統(tǒng)。上個(gè)月，該公司推出了采用環(huán)視技術(shù)的下一代激光雷達(dá)Alpha Prime，它為貨運(yùn)和機(jī)器人技術(shù)等自動(dòng)駕駛市場(chǎng)提供了感知、FoV和范圍解決方案。Velodyne一直在與福特和通用合作。前不久，現(xiàn)代摩比斯宣布，Velodyne將為其L3車輛提供激光雷達(dá)。電裝和Veoneer也是開發(fā)此技術(shù)的頂級(jí)Tier 1，電裝和Luminar正在為豐田開發(fā)不同的激光雷達(dá)。
 
電子掃描或數(shù)字掃描是在沒有移動(dòng)部件的情況下進(jìn)行的掃描。這是一個(gè)使用激光/探測(cè)器陣列并以數(shù)字方式掃描整個(gè)FoV的激光雷達(dá)系統(tǒng)。光學(xué)相位調(diào)制是一種使用光學(xué)相控陣或液晶進(jìn)行相位調(diào)制的方法。光學(xué)相位調(diào)制器控制通過透鏡的光速。
 
非掃描激光雷達(dá)過程包括2D/3D flash和basic flash。與basic falsh激光雷達(dá)相比，2D/3D flash具有更高的分辨率和更多像素。當(dāng)前，basic flash激光雷達(dá)已在市場(chǎng)上銷售，在某些車輛中用于一維距離測(cè)量，最適合30m之內(nèi)的短距應(yīng)用，且功耗高。
LeddarTech、大陸、法雷奧和松下都是開發(fā)flash激光雷達(dá)的公司。2019年9月，LeddarTech推出了3D flash激光雷達(dá)Leddar Pixell。
基于非掃描和無移動(dòng)部件掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)稱為固態(tài)激光雷達(dá)。它沒有旋轉(zhuǎn)的機(jī)械組件，并且降低了FoV，價(jià)格也更便宜。一些公司經(jīng)常將其術(shù)語與MEMS激光雷達(dá)互換。去年9月，速騰推出了用于自動(dòng)駕駛應(yīng)用的RS-LiDAR-M1固態(tài)激光雷達(dá)的量產(chǎn)版本。Velodyne也正在集中開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。
發(fā)射器（Emitter）：激光雷達(dá)發(fā)射器技術(shù)可分為LED、光纖激光器和半導(dǎo)體激光器。LED激光雷達(dá)系統(tǒng)通常用于諸如座艙內(nèi)監(jiān)控之類的車載應(yīng)用中，功耗非常低。
在1550nm波段工作的光纖激光器被認(rèn)為比在傳統(tǒng)激光雷達(dá)系統(tǒng)中使用的905nm二極管激光器更安全。這就能以更高的分辨率和更高的功率工作。它還可以實(shí)現(xiàn)AV的遠(yuǎn)程感知。Luminar一直在開發(fā)光纖激光雷達(dá)。去年，它與奧迪的子公司AID（Autonomous Intelligent Driving）合作，提供了前向遠(yuǎn)程激光雷達(dá)技術(shù)。
半導(dǎo)體激光器根據(jù)二極管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。邊緣發(fā)射是水平發(fā)射，激光沿晶圓表面的方向射出。當(dāng)垂直于晶圓表面發(fā)射激光時(shí)，稱為表面發(fā)射。垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）是表面發(fā)射的一個(gè)例子。盡管邊緣發(fā)射的時(shí)間比VCSEL長，但很難將其集成到車輛中。TriLumina是開發(fā)倒裝芯片VCSEL技術(shù)的重要玩家。2019年6月，它揭開了自稱是全球第一款不需要底座或鍵合線的表面貼裝倒裝芯片背發(fā)射VCSEL陣列的面紗。
探測(cè)器：激光雷達(dá)探測(cè)器包含吸收光子并產(chǎn)生電流以進(jìn)行信號(hào)處理的光電二極管。光電二極管是具有p-i-n結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，專門用于光探測(cè)。探測(cè)器技術(shù)主要分為PIN光電二極管，它們由高摻雜的p層和n層之間的未摻雜本征層組成。雪崩光電二極管（APD）是一種以相對(duì)較高的反向電壓工作的光電探測(cè)器，可以帶來更好的增益和更好的信噪比。單光子雪崩二極管（SPAD）與APD相似，但SPAD經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，可在遠(yuǎn)高于擊穿電壓的反向偏置電壓下工作，且比APD靈敏。
歐司朗參與了這項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)，并且是大陸basic flash激光雷達(dá)的激光器和PIN供應(yīng)商。歐司朗因Vixar的VCSEL技術(shù)于2018年對(duì)其進(jìn)行了收購。此外，在一些初創(chuàng)公司中，濱松和Sense Photonics也值得關(guān)注。
Aeye也是一家值得關(guān)注的新興公司，他們背后有海拉和LG的支持。它的解決方案基于攝像頭和稱為iDar的數(shù)據(jù)的組合。 
后記
與其他技術(shù)相比，在AV領(lǐng)域中集成激光雷達(dá)的最大挑戰(zhàn)無疑是成本。例如，光纖激光器的價(jià)格可能超過1,000美元，這使其在汽車市場(chǎng)推廣就很難。一旦產(chǎn)量增加，成本就會(huì)降低。對(duì)于ADAS系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程激光雷達(dá)，成本可能在300-500美元之間，而短距激光雷達(dá)的成本在100-250美元之間。一些公司甚至要求成本在100美元。但就目前的水平來說還有待于成本的進(jìn)一步大幅降低。
雖然很難預(yù)測(cè)哪種激光雷達(dá)技術(shù)將主導(dǎo)市場(chǎng)，但激光雷達(dá)無疑將是一塊快速增長的市場(chǎng)。
 

 
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