“顛覆市場(chǎng)格局”之下一代感知：1550nm+FMCW激光雷達(dá)

車云 2019-09-19 19:03 搶發(fā)第一評(píng)

可以肯定的是，到2019年底，不太會(huì)有新的傳感技術(shù)進(jìn)入量產(chǎn)，但從明年開始，到2022年，圍繞雷達(dá)、激光雷達(dá)、高精定位等新一代傳感器技術(shù)將會(huì)進(jìn)入量產(chǎn)周期。

過去幾年，自動(dòng)駕駛公司的競(jìng)爭(zhēng)，在傳感器配置上坦白說并沒有太多差異化。除了車載激光雷達(dá)屬于近幾年的產(chǎn)物，類似攝像頭、毫米波雷達(dá)、GPS、IMU等等都只是一些非革命性的升級(jí)換代。

換句話說，今天的傳感器還不夠成熟，不足以支持未來量產(chǎn)的完全自動(dòng)駕駛汽車，包括L3等高等級(jí)自動(dòng)駕駛。高工智能汽車陸續(xù)推出的《預(yù)見2020，下一代自動(dòng)駕駛傳感》系列專題本期關(guān)注激光雷達(dá)。

激光雷達(dá)技術(shù)通常使用脈沖激光來測(cè)量物體的距離。該系統(tǒng)以極高的速度將激光脈沖反射到物體上——每秒數(shù)百萬次激光脈沖——并測(cè)量從激光反射到光探測(cè)器需要多長時(shí)間。

基于飛行時(shí)間法，激光雷達(dá)實(shí)時(shí)計(jì)算到目標(biāo)的距離，利用數(shù)百萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)生成三維點(diǎn)云，并輸出環(huán)境“地圖”。

目前激光雷達(dá)主要是基于兩個(gè)波長之一的傳感器，分別是905納米和1550納米。其中，905納米是目前市場(chǎng)上大多數(shù)企業(yè)的選擇。而在工程師評(píng)估激光雷達(dá)技術(shù)時(shí)，研究諸如波長等基本結(jié)構(gòu)特征是很重要的。

而成本一直是該行業(yè)增長的主要制約因素。相當(dāng)數(shù)量的初創(chuàng)公司專注于降低這些系統(tǒng)的成本和規(guī)模，大多數(shù)新成立的公司和老牌公司都在開發(fā)905納米近紅外波長的脈沖激光系統(tǒng)，因?yàn)槠湓骷鄬?duì)成熟。

那么，對(duì)于905納米存在的缺陷有哪些？

首先，905納米太接近我們能看到的可見光譜，所以在使用的功率級(jí)別存在人眼損傷的風(fēng)險(xiǎn)。即使在高功率水平下，905納米激光雷達(dá)也很難在200米外的高速公路上看到高度在10cm左右的物體，比如一個(gè)輪胎。

其次，脈沖激光雷達(dá)容易與其他激光雷達(dá)發(fā)生干擾，隨著這些系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，將會(huì)出現(xiàn)更多的問題。（但這個(gè)問題往往是很多汽車制造商還未考慮的問題）

另外，一款真正符合要求的激光雷達(dá)還需要考慮下面兩個(gè)主要因素。

（一）波束引導(dǎo)技術(shù)，大多數(shù)激光雷達(dá)傳感器使用以下四種方法之一來將激光束定向到不同的方向：

1、旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)。這種方法具有360度覆蓋的優(yōu)勢(shì)，但由于存在移動(dòng)部件，很難通過嚴(yán)格的車規(guī)級(jí)測(cè)試。

2、機(jī)械掃描激光雷達(dá)，使用一面鏡子將一束激光定向到不同的方向。這一類的激光雷達(dá)使用一種稱為微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)來驅(qū)動(dòng)鏡子。

3、光學(xué)相控陣激光雷達(dá)，使用一排發(fā)射器，通過調(diào)整信號(hào)從一個(gè)發(fā)射機(jī)到下一個(gè)發(fā)射機(jī)的相對(duì)相位來改變激光束的方向。

4、閃光激光雷達(dá)，用一道閃光照亮整個(gè)領(lǐng)域。目前的閃光激光雷達(dá)技術(shù)使用單一的廣角激光，這可能會(huì)使它很難達(dá)到長距離，因?yàn)槿魏谓o定的點(diǎn)只獲得源激光的一小部分。而多激光閃光系統(tǒng)將有成千上萬的激光陣列，每一個(gè)都指向不同的方向。

（二）激光雷達(dá)測(cè)量光到達(dá)一個(gè)物體并反射回來需要多長時(shí)間。有三種基本的方法：

1、飛行時(shí)間法，激光雷達(dá)發(fā)出短脈沖，并測(cè)量需要多長時(shí)間來檢測(cè)返回光。

2、調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)，一種頻率隨時(shí)間穩(wěn)定變化的連續(xù)光束。光束被分成兩段，其中一段被發(fā)送，然后在反彈回來后與另一段結(jié)合。由于源光束有一個(gè)穩(wěn)定變化的頻率，光束之間的距離差轉(zhuǎn)化為光束頻率的微小差異。這就產(chǎn)生了一個(gè)帶有拍頻的干涉圖樣，拍頻是往返時(shí)間(因此也是往返距離)的函數(shù)。

FMCW激光雷達(dá)能夠抵抗來自其他激光雷達(dá)單元或太陽的干擾。FMCW激光雷達(dá)還可以利用多普勒頻移來測(cè)量物體的速度和距離。

3、調(diào)幅連續(xù)波(AMCW)，可以看作是上述兩種方法之間的折衷。AMCW發(fā)出一個(gè)信號(hào)，然后測(cè)量這個(gè)信號(hào)反彈需要多長時(shí)間。不同的是，AMCW發(fā)出一個(gè)更復(fù)雜的模式(例如，一個(gè)數(shù)字編碼為1和0的偽隨機(jī)流)，這使得其比簡(jiǎn)單的飛行時(shí)間法更抗干擾。

激光雷達(dá)的最新趨勢(shì)是使用更長的波長，如1550納米，它遠(yuǎn)離我們眼睛吸收的可見光光譜，使眼睛的安全性比905nm高40倍。同時(shí)，基于FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)，具有更高的檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確度。

采用1550納米 FMCW的激光雷達(dá)系統(tǒng)可以很容易地檢測(cè)到輪胎或類似的低反射率物體，并把檢測(cè)距離提高至300多米。這允許車輛在任何天氣條件下以每小時(shí)70英里的速度停車或換車道。

FMCW技術(shù)還可以通過多普勒效應(yīng)瞬時(shí)測(cè)量物體的速度。這一點(diǎn)非常重要（能夠減少感知的延遲，現(xiàn)有的905納米需要計(jì)算，而并非直接獲得距離數(shù)據(jù)），不僅能夠進(jìn)行預(yù)測(cè)分析和響應(yīng)，而且在對(duì)象識(shí)別中能夠從原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立和識(shí)別不同的對(duì)象。

當(dāng)然，對(duì)于堅(jiān)持使用905納米的企業(yè)，會(huì)指出1550納米無法使用現(xiàn)有的供應(yīng)鏈元器件，而是需要定制開發(fā)，這無形中增加了成本。尤其是以Velodyne、Cepton為代表的一批企業(yè)，堅(jiān)持905納米開發(fā)。

實(shí)現(xiàn)FMCW解決方案的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是低成本、大批量生產(chǎn)所需的高性能組件。相干方法需要具有長相干長度(窄線寬)的激光器，還需要光的相干處理來提取光子攜帶的額外信息。

這意味著非常精確和低噪聲的光學(xué)信號(hào)處理(OSP)電路，以形成一個(gè)相干的接收器。此外，激光光源的波長穩(wěn)定性和線性度在測(cè)量周期內(nèi)是至關(guān)重要的，否則信噪比會(huì)顯著降低。

目前，已經(jīng)有不少企業(yè)在開發(fā)基于集成電路芯片（InGaAs）的半導(dǎo)體制造工藝，將所有需要的光學(xué)功能集成到單個(gè)InGaAs芯片中。這意味著將非常復(fù)雜的電子電路集成到一個(gè)小芯片中，以非常低的成本生產(chǎn)。

Luminar，是全球幾家專注于1550納米激光雷達(dá)量產(chǎn)的初創(chuàng)公司之一，該公司目前的融資總額超過2.5億美元，股東包括沃爾沃和光學(xué)玻璃巨頭康寧。

按照這家公司的成本測(cè)算，后續(xù)高性能版本的價(jià)格可能不超過1000美元，而針對(duì)L2+、L3等應(yīng)用的低性能版本價(jià)格可能會(huì)在500美元以內(nèi)。

國內(nèi)激光雷達(dá)公司中，目前只有鐳神智能具備自主研發(fā)高端遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)優(yōu)質(zhì)光源——1550nm高峰值功率脈沖光纖激光器。

同時(shí)，其推出的1550nm固態(tài)MEMS激光雷達(dá)，具備FOV為120°Hx20°V（等效于100線），精度為+/-3cm，探測(cè)距離200米以上，300到500米之間（40%反射率）。

另一家企業(yè)Innovusion，也使用1550nm激光與大口徑多邊形相結(jié)合，以獲得盡可能好的距離和分辨率，從而最大限度地提高可靠性和安全性。去年，該公司獲得了約3000萬美元的A輪融資。

而Aurora（已經(jīng)拿到了亞馬遜、現(xiàn)代汽車等投資）近期收購的Blackmore公司，同樣使用的是基于1550納米的FMCW技術(shù)。

Aurora承認(rèn)所有傳感器都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并補(bǔ)充道:“基于我們數(shù)十年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，我們很清楚，激光雷達(dá)，特別是Blackmore所取得的進(jìn)步，是最終傳感系統(tǒng)的一部分。”

Aurora的三位創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)成員，或許也為這個(gè)判斷“站住腳”。Anderson是特斯拉Autopilot項(xiàng)目的前負(fù)責(zé)人，Bagnell是Uber自動(dòng)與感知團(tuán)隊(duì)的的前負(fù)責(zé)人，Urmson則是Google自動(dòng)駕駛項(xiàng)目的前負(fù)責(zé)人。

在Aurora看來，Blackmore從光纖通信行業(yè)已經(jīng)證實(shí)了技術(shù)的可行性。光信號(hào)處理將FMCW的高動(dòng)態(tài)范圍、單光子靈敏度和抗干擾能力的優(yōu)勢(shì)最大化。最重要的是，F(xiàn)MCW支持的逐點(diǎn)速度測(cè)量，將使得傳統(tǒng)激光雷達(dá)的感知算法被改寫。

不過，這套產(chǎn)品雖然性能可以達(dá)到450米測(cè)距，但價(jià)格也不低，接近2萬美元的成本。考慮到上述三位創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)成員的經(jīng)歷，如果不是為了博取眼球，足見其非常清楚現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

還有一家布局類似技術(shù)的，就是通用汽車早年收購的Strobe，芯片級(jí)激光雷達(dá)將將整個(gè)傳感器做成單一芯片，能讓成本減少99%。同時(shí)，能探測(cè)300米，數(shù)據(jù)處理時(shí)間低于45毫秒。

正如上一篇文章提到的4D毫米波雷達(dá)（類似激光雷達(dá)點(diǎn)云的形式），現(xiàn)在激光雷達(dá)也往具備毫米波雷達(dá)的一些特征（比如，調(diào)頻測(cè)距）方向發(fā)展，顯示出未來傳感器相互交叉增強(qiáng)、方便數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)校正的趨勢(shì)。

相關(guān)標(biāo)簽：: 自動(dòng)駕駛

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