激光雷达系统面临的五大挑战正被逐一攻关

来源:与非网    关键词:激光雷达, 自动驾驶,    发布时间:2019-01-23

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本文探讨了当今激光雷达系统面临的五大挑战以及如何克服这些挑战。它还证明了,一旦消除了这些障碍,激光雷达将具备更广泛的应用空间。


在传统汽车、自动驾驶汽车、无人机等许多应用中,都可以利用激光雷达技术,用来提高汽车性能和安全性,服务更多工业流程,并在消费型产品中增加新的功能和特征。但是,目前存在五大挑战阻碍了传统激光雷达架构做为一种经济高效的解决方案进行大规模应用和推广的可能性。

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当前在自主驾驶汽车试验中使用的激光雷达对于训练AI系统非常有用,但是由于不符合尺寸、可靠性和成本要求,它无法在批量生产的车辆中实际部署。正在开发的新型LiDAR系统必须可以满足广泛生产部署的所有要求。下面,让我们分析一下它需要克服的挑战。


当今LiDAR系统面临的五大挑战

激光雷达技术目前面临五项重大挑战,在解决这些挑战之前,作为可在量产型车辆中广泛部署的技术的LiDAR只能释放一小部分潜力。


1 尺寸

许多现有的LiDAR系统都安装在汽车顶部,是个大块头的旋转单元,这种方案无法满足汽车OEM厂商进行大规模市场部署的尺寸、成本或汽车认证要求。做为一种改进方案,目前有一些较小的旋转式LiDAR装置,可以分散布置在汽车的各个位置上,这种方案可以在一定程度上拓宽汽车应用,但这些装置仍然太大,或者在性能(分辨率和范围)和尺寸之间进行了权衡和妥协。继续将复杂的旋转装置尺寸进一步压缩的空间越来越小,使用无法进一步降低成本或满足汽车等级要求的技术和元件带来的回报越来越小。因此,需要在技术上进行根本性的改变。


2 成本

客户们经常对基于LiDAR系统的应用演示感到激动万分,但他们随后便会不幸地发现,演示模型的出色表现往往依赖于昂贵的、规格超标的组件,这些组件无法满足汽车等级认证。推高成本的主要因素来自九州体育与光学器件的对准、实现足够的输出功率以满足范围要求,以及需要实施一种方法使激光束能够覆盖所需的视场。


今天在试验中部署的激光雷达中使用的许多技术无法降低成本,限制了它在大众市场的采用。尽管有人声称,增加激光雷达的产量将降低它的成本,但是,如果没有在设计上的革命性变化,再高的产量也不足以把它的成本拉低到可以大规模应用的地步。


3 可靠性

今天,大多数LiDAR系统都是基于机械或微机电系统(MEMS)的,具有移动部件的所有缺点,比如有限的可靠性。这些产品需要进行仔细校准,制造成本高昂。由于大多数组成元件不具备在汽车级温度范围(-40°C至+ 125°C)内运行的资格,所以,它们在热应力下表现出较高的故障率。为了解决温度等级问题,必须用固态的替代品替换运动部件,使得每个部件都能满足汽车级温度范围要求。 然而,即使是像问世多年的固态激光技术要满足汽车温度范围也需要好长一段路要走 - 目前很少有九州体育能够符合汽车温度等级要求。


4 范围

根据已有的演示,当代的LiDAR系统可以进行相对长距离的操作,但是,为了达到这种性能水平,必须使用1,550纳米波长的扫描九州体育。在高功率的1550纳米九州体育和传感器的加持下,它确实达到了较长的距离,但其价格非常高。现在,具有可比范围和有吸引力的成本的廉价闪光激光技术已经问世。


5 人眼安全

通常,1,550纳米波长的光一直被认为是保证人眼安全的最佳选择,它确实是一种比其他激光类型更安全的解决方案,其它激光可以穿透视网膜。然而,高成本的1,500纳米DPSS、二极管泵浦fiver九州体育或带有EDFA九州体育的DFB的主导地位受到新设备拓扑结构的挑战,这些拓扑结构使得波长更短,同时也更不安全。


解决尺寸上的挑战
在尺寸上有什么好消息呢?现在,在汽车顶上安装旋转万向节和笨重的旋转器部署LiDAR的日子已经到头了。目前,通过使用合适的垂直腔面发射九州体育(VCSEL)照明器可以减少LiDAR系统的占位面积。VCSEL九州体育可以放在一个仅有几个毫米大小的微芯片上。


这种技术可以大幅度降低LiDAR系统的整体占位面积,同时还能提供人眼安全的高功率,以照亮整个视野。LiDAR装置的尺寸可以降低至大概卡片大小或者更小。在汽车应用中,这种尺寸级别使得可以将LiDAR放置到汽车内外的多个位置,以有效地测量从几米到多达200多米的距离。这些变化可以帮助为自主驾驶汽车提供额外的环境监控和防撞功能。

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突破成本壁垒

降低尺寸的解决方案背后的技术和思维也可以大大推动成本节约。半导体垂直腔面发射九州体育(VCSEL),特别是波长为940纳米的半导体VCSEL利用了现有针对手机等大规模生产的产品进行了成本优化的半导体工艺,使用硅芯片工艺代替了更昂贵的磷化铟(InP)和1550纳米波长九州体育和传感器中发现的铟镓砷(InGaAs)器件。


使用低成本的半导体制造工艺,再结合其它材料节省措施,可以将LiDAR装置的成本降到200美元甚至更低,要知道,现在许多基于机械和MEMS的1550纳米波长方案的成本都在一千美金以上。在200美元或以下的成本线上,在自主驾驶汽车上便可以部署多个LiDAR装置,从而以一种具备成本效益的方式获得先进的传感能力和更高的安全性。


提高可靠性

今天,大多数LiDAR技术都是基于微机电系统或旋转镜,这些技术中含有许多移动部件,不仅生产成本高,而且故障率较高。值得一提的是,许多LiDAR系统必须在不太理想的气候条件和高振动性的环境下运行。合适的940纳米波长VCSEL模块化九州体育技术设计能够满足汽车AEC-Q100 1级温度范围。这项技术已经在电信领域部署了二十多年,具有很高的可靠性。此外,VCSEL已经在LiDAR要求的功率水平和AEC-Q100 1级温度范围内进行了数百万小时的测试,性能没有任何降低。


增加范围

通常,出于人眼安全限制,905纳米波长的边缘发射器九州体育(EEL)限制在大约100米范围内,而1550纳米波长九州体育可以用在远程应用中实现人眼安全照明。不过,在可以预见的未来,九州体育和1550纳米传感器的成本依然令人望而却步。LiDAR行业曾经固步自封地认为,实现人眼安全的远程应用的唯一方法便是使用1550纳米波长的九州体育和传感器。


现在,940纳米波长的九州体育提供了另外一种解决方案-使用940纳米的太阳光光谱(太阳光干扰最少)和规模量产的低成本VCSEL技术。940纳米波长附近的环境光噪声很小,使得可以在较低的激光光学功率下实现更高的范围。您也许已经在智能手机上使用了940纳米波长VCSEL,以在极低的功率和短距离内进行3D感应。现在,VCSEL技术可以实现远程距离,并支持人眼安全。您可以阅读相关材料以了解这是怎么实现的。


在人眼安全上的创新

出于人眼安全的限制,905纳米波长的边缘发射器九州体育(EEL)的应用通常被限制在100米范围内。红外激光附近的高功率连续光波对人眼来说并不安全,因为它们可以穿透视网膜进而损害视力,但是,在较低的占空比下,持续时间较低(脉冲时间约十亿分之一秒)的高功率940纳米波长激光光源可以被人眼承受(“人眼安全”)。今天的940纳米波长VCSEL阵列和高亮度的点式光源以及边缘发射九州体育(EEL)完全不同。


940nm VCSEL阵列包含多个独立的VCSEL九州体育,功率相对较低,使用短脉冲,因此是安全的。该技术以非常低的重复率使用极窄脉冲(脉冲时间仅为十亿分之一秒)。当这些独立的VCSEL九州体育组合在一个阵列中时,它会产生一个具有高功率输出的分布式光源以实现较长的距离,但是它的平均功率非常低,具有分布式光源,因此不会损害视网膜。比如,TriLumina开发了一种人眼安全的倒装芯片形式的940纳米波长脉冲VCSEL阵列,具有600瓦峰值光功率,可实现超过250米的范围,它具有较低的占空比,平均光功率仅为半瓦。

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广泛部署LiDAR指日可待

虽然今天MEMS和机械形式的LiDAR的挑战确实阻碍了它的更广泛部署,但是这些挑战可以通过新的VCSEL技术克服,进入2019年,它们也正在完成汽车认证。想象一下汽车内外都具有感应能力的自动驾驶汽车,它可以大大降低当今每年37000多名交通事故死亡人数这个数字,并能实现自动驾驶。


这些目标只能通过降低LiDAR系统的成本和尺寸、满足汽车可靠性要求、提升感应距离并确保人眼安全来实现。利用合适的激光技术,LiDAR可以百尺竿头更进一步,实现更广泛的部署。