深入解析全固态激光雷达技术路线

来源:智车科技    关键词:激光雷达, 自动驾驶,    发布时间:2019-03-11

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纳米天线阵列LiDAR

Oryx Vision凭借纳米天线阵列LiDAR,找到了困扰自动驾驶汽车商业化的主要问题:如何平衡探测距离、精度和成本三者的关系。OryxVision深度传感器可以检测到150米远的微小物体,它既可以在暗夜里工作,也不会受直射的阳光影响,而即使在雨雾等极端天气条件下也可以稳定工作。OryxVision传感器可以无缝集成到车辆的四周,一组这样的传感器不但可以提供360°范围的高性能的景深探测覆盖,而且价格低廉。


Oryx Vision使用的是长波太赫兹红外激光的激光器,因为这种红外光人眼不可见,功率更高。而这种红外光还很难被水吸收,不会被云雾、强烈的阳光直射所干扰。当发射出的激光反射回传感器时,光学器件将反射回的入射光引导到大量极小的整流纳米天线上。入射光在被整流的天线中产生AC响应,换句话说,被转换成DC信号。该系统的灵敏度是传统LiDAR的上百倍。因为天线将入射光处理为波,所以它们还可以检测到多普勒效应(由于其反弹的相对运动而引起的频率变化),并且由此还可以确定在道路中或附近的其它物体的速度。

Oryx Vision采用的纳米天线只有25平方微米,使用薄膜芯片制造工艺直接在集成电路上制造。每个纳米天线只有5 x 5平方微米,使用薄膜芯片制造工艺在硅晶圆上形成阵列,成本相当低廉。而且这将使得信号被馈送到机器学习系统相当简单,而这个机器学习系统可以对场景中的对象进行分类,从而使得对场景的感知更加智能化。


泛光(Flash)面阵式LiDAR

泛光面阵式是全固态LiDAR中比较主流的技术之一。Flash LiDAR 属于非扫描式雷达,发射面阵光,是以2维或3维图像为重点输出内容的激光雷达。虽然稳定性和成本不错,但主要问题在于探测距离较近。对于泛光成像LiDAR,每次发射的光线会散布在整个视场内,这意味着只有一小部分激光会投射到某些特定点。此外,光电探测器阵列中的每个像素都必须非常小,限制了它可以捕捉的反射光量。


泛光面阵式LiDAR的激光光源主要有两种方式:脉冲和连续波,分别对应脉冲飞行时间(pToF,PluseToF)LiDAR和连续波飞行时间(cwToF,Continuous Wave ToF)LiDAR。pToF LiDAR采用脉冲,可以实现远距离探测(如100米以上);而cwToF LiDAR采用连续波,主要进行近距离探测(如数十米)。泛光面阵式LiDAR属于非扫描式LiDAR,通过脉冲或连续波捕获整个场景,而非用激光束逐点扫描。由于探测电子返回脉冲和带宽较宽的弱点,泛光面阵式LiDAR易受噪声影响,而阈值触发可引起测量误差Δt。下图是cwToF LiDAR、pToF LiDAR、雷达和超声波传感器的参数对比。

由激光雷达的理论可知,在功率受限的情况下,要实现远的探测距离,则要求大的脉冲时宽,而要实现高的探测精度,则需要大的带宽,简单脉冲时宽带宽乘积接近于1,时宽与带宽相互关联,不能同时增大时宽与带宽。pToFLiDAR则通过增益调制式脉冲激光源,可以解决采用连续波激光器发射正弦波在对目标成距离像时限制了激光器的瞬时功率从而严重影响成像质量和测量范围的问题。


多束密集的激光束直接向各个方向漫射,因此只要一次快闪就能照亮整个场景。它运行起来更像摄像头。随后,系统会利用微型传感器阵列采集不同方向反射回来的激光束。

Flash LiDAR 的一大优势是它能快速记录整个场景,避免了扫描过程中目标或激光雷达移动带来的各种麻烦。不过,这种方式也有自己的缺陷。Flash面阵式LiDAR的主要缺点是光子预算:一旦距离超过几十米,返回光子的数量就太少,根本无法进行可靠的探测。如果不是对场景进行光覆盖,以牺牲切向分辨率为代价,用网格点状结构光来照明,这就可得到改善。垂直腔面发射激光器(VCSELs)使其可在不同方向同时发射成千上万的光束。