目前在駕駛試驗中使用的LiDAR技術(shù)有助于人工智能(AI)系統(tǒng)的訓練,但是由于無法滿足尺寸、可靠性和成本的要求,暫時還無法在量車汽車中展開部署。正在開發(fā)的新型LiDAR系統(tǒng)可以滿足廣泛生產(chǎn)部署的所有要求,但首先,讓我們先來回顧一下需要克服哪些挑戰(zhàn)。
當今LiDAR系統(tǒng)面臨的五大挑戰(zhàn)
這五項挑戰(zhàn)意義重大,在它們得到解決之前,LiDAR作為量車汽車中可廣泛部署的技術(shù)之一,我們只實現(xiàn)了其一小部分的潛力。
1. 尺寸
如今多數(shù)LiDAR系統(tǒng)都是安裝在汽車頂部的一套大型旋轉(zhuǎn)裝置,非常顯眼。但該技術(shù)不符合OEM(原始設(shè)備制造商)大眾市場部署的尺寸、成本或汽車認證要求。雖然目前有一些尺寸較小的旋轉(zhuǎn)LiDAR裝置,通過將多個單元嵌入至汽車的各個區(qū)域來擴大應(yīng)用,但是這些組件仍然太大,有些甚至是通過犧牲性能(分辨率和距離)來減小尺寸。如果繼續(xù)將復雜的旋轉(zhuǎn)機械部件壓縮進更小的封裝,或者使用無法進一步減少成本或滿足汽車一級資質(zhì)要求的技術(shù)和部件,收效將會逐步減小,這就要求對技術(shù)進行根本性的變革。
2. 成本
LiDAR的演示通常會在客戶中引發(fā)一陣高潮,不幸的是,他們后來發(fā)現(xiàn)演示模型的制勝功能依賴于昂貴的、非指定的組件,而這些組件卻無法滿足汽車級認證。主要的成本驅(qū)動因素是激光器與光學器件的對準,獲得足夠的輸出功率以滿足距離要求,并設(shè)法使激光束覆蓋所需的視場。
目前試驗中部署的LiDAR中的多數(shù)技術(shù)都無法針對大眾市場應(yīng)用降低成本。盡管有人聲稱產(chǎn)量的增加會降低成本,但是如果不進行重大的設(shè)計修訂,即使有高產(chǎn)量或設(shè)計改進都是不夠的。
3. 可靠性
現(xiàn)如今的LiDAR系統(tǒng)大多是基于宏觀機械或微機電系統(tǒng)(MEMS),具有運動部件的所有缺點,包括有限的可靠性。這些產(chǎn)品需要仔細校準,而且制造成本很高。由于大多數(shù)材料不具備在汽車一級溫度范圍(-40°C至125°C)內(nèi)工作的條件,所以它們在熱應(yīng)力下的故障率會很高。比較明確的做法是用固態(tài)替代方案替換運動部件,使每個部件都能夠滿足一級溫度和質(zhì)量要求。然而,即使像激光器這樣的固態(tài)技術(shù)也還有很長的一段路要走,畢竟現(xiàn)在很少有激光器能滿足一級車規(guī)的要求。
4. 探測距離
現(xiàn)在LiDAR系統(tǒng)已經(jīng)證明了可以實現(xiàn)相對較遠的探測距離,但是目前存在一個大家廣泛持有的假設(shè)是,這種性能水平僅在1550nm掃描激光器中才有可能達到。該技術(shù)確實可提供良好的探測距離,但由于高功率1550nm激光器和傳感器的成本,價格卻非常高?,F(xiàn)已開發(fā)出廉價泛光激光器技術(shù),具有可比的探測距離和有吸引力的成本優(yōu)勢。
5. 人眼安全
長期以來,1550nm波長的激光被認為是人眼安全的最佳數(shù)值。它確實是比那些可以穿透眼睛進入視網(wǎng)膜的激光類型更安全。然而,高成本的1500nm二極管泵浦固體激光器(Diode Pumped Solid State laser,DPSS)、二極管泵浦光纖激光器(Diode Pumped Fiber laser)或帶有摻鉺光纖放大器(Erbium& Doped Fiber Amplifiers,EDFA)的分布式反饋激光器(Distributed Feedback Laser,DFB)的主導地位目前正受到新的器件拓撲的挑戰(zhàn),這些器件拓撲可使較短的波長變得安全。
應(yīng)對尺寸挑戰(zhàn)
好消息是什么?在車輛頂部旋轉(zhuǎn)萬向架上安裝大型旋轉(zhuǎn)“全家桶”(即LiDAR)的日子已經(jīng)所剩不多了。使用合適的垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)照明器可以大大減少LiDAR系統(tǒng)的占位面積。照明解決方案制造商可以將數(shù)百個VCSEL激光器集成到僅為毫米級大小的微芯片上。
這項技術(shù)將極大地減少LiDAR系統(tǒng)整體尺寸,同時還能提供照亮整個視場所需的人眼安全的高功率。LiDAR單元可以縮小至一副牌的大小甚至更小。在汽車應(yīng)用中,這就可以將LiDAR安放在汽車外部和內(nèi)部的多個位置,以有效地測量距離可為數(shù)米或遠至200多米的物體。這些變化為無人駕駛汽車提供了額外的環(huán)境監(jiān)測和防碰撞功能。
圖1 TriLumina生產(chǎn)的VCSEL芯片
打破成本壁壘
縮小LiDAR系統(tǒng)尺寸背后相同的技術(shù)和思路,也可以用于大幅節(jié)約成本!半導體VCSEL,特別是940nm波長的VCSEL激光器,利用現(xiàn)有的半導體工藝,針對手機等大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品進行優(yōu)化,使用硅基芯片代替了1550nm激光器和傳感器中價格更昂貴的磷化銦(InP)和銦鎵砷(InGaAs)器件。
當您將這些工藝和材料所節(jié)省的成本整合計算后,每個LiDAR單元的成本可以降至200美元或更低,而目前許多機械和1550nm解決方案的成本都超過1000美元。以這樣的價格,在無人駕駛汽車上使用多個LiDAR單元以獲得先進的傳感能力和更高的安全性要實際得多。
提高可靠性
當今的LiDAR技術(shù)大多是基于旋轉(zhuǎn)鏡或MEMS微鏡。這些技術(shù)包含很多運動部件,它們的生產(chǎn)成本和故障率都很高。值得注意的是,許多LiDAR系統(tǒng)必須在不太理想的氣候和高振動環(huán)境下運行。理想的940nm波長的VCSEL模塊化激光技術(shù)可在通過AEC-Q100認證的一級溫度范圍內(nèi)(-40°C至125°C)的汽車中工作。這項技術(shù)已經(jīng)在電信領(lǐng)域應(yīng)用了二十多年,可靠性極高。此外,這些新型VCSEL激光器已經(jīng)針對遠程LiDAR的功率要求和AEC-Q100認證一級溫度范圍,進行了數(shù)百萬小時的等效運行測試,性能沒有出現(xiàn)任何意外降低。
擴大探測范圍
通常,由于人眼安全限制,905nm波長的邊緣發(fā)射激光器(EEL)只能在100米左右的范圍內(nèi)使用,而1550nm波長的激光器可用于實現(xiàn)遠距離并對人眼安全的照明。然而,在可以預(yù)見的未來,1550nm波長激光器和傳感器的成本是令人望而卻步的。LiDAR行業(yè)流傳著自己的傳說,認為實現(xiàn)這一長距離探測的唯一方法,只有通過使用這些昂貴的1550nm波長的激光器和傳感器。
940nm波長的VCSEL激光器結(jié)合了獨特優(yōu)勢,既利用了太陽光譜在940nm的大幅下降(太陽光干擾較小),又利用了大規(guī)模、低成本的VCSEL技術(shù)。940nm處環(huán)境光噪聲的降低,使得在較低的激光功率下可以獲得更廣的探測范圍?,F(xiàn)在,已經(jīng)在移動電話中使用了940nm波長的VCSEL激光器,以便在極低功率和短距離內(nèi)實現(xiàn)3D傳感?,F(xiàn)在,VCSEL技術(shù)可以在相當遠的距離內(nèi)使用,并且還能保護人眼安全。
針對人眼安全的創(chuàng)新
由于人眼安全限制,905nm波長的EEL激光器通常只能限制在100米左右的范圍內(nèi)使用。盡管紅外激光附近的高功率連續(xù)波會穿透視網(wǎng)膜并損傷視力,對人眼產(chǎn)生傷害,但是人眼可以承受(人眼安全)在較低占空比下極短脈沖(十億分之一秒脈沖)的高功率940nm波長的光源。如今的940nm波長VCSEL陣列與EEL激光器等高亮度點光源完全不同。
940nm波長的VCSEL陣列包含很多單顆VCSEL激光器,每個激光器功率相對較低,使用短脈沖,因此對人眼比較安全。該技術(shù)使用窄脈沖(十億分之一秒)以非常低的重復頻率運行。當這些VCSEL組合成陣列時,它會產(chǎn)生具有很高輸出功率的分布式光源,從而來實現(xiàn)長距離探測,但其平均功率很低,并且分布式光源不會損壞視網(wǎng)膜。例如,TriLumina開發(fā)出了對人眼安全的倒裝芯片940nm波長脈沖VCSEL陣列,其600W峰值光功率可以支持超過250米的探測距離,具有低占空比的特點,平均光功率僅為半瓦。
圖2 TriLumina開發(fā)出了對人眼安全的倒裝芯片940nm波長脈沖VCSEL陣列
LiDAR的廣泛部署有望實現(xiàn)
雖然現(xiàn)在MEMS和機械式LiDAR面臨的挑戰(zhàn)確實是廣泛部署LiDAR技術(shù)的主要障礙,但這可以通過有望在2019年初完成車規(guī)認證的新型VCSEL激光技術(shù)來克服。想象一下在車內(nèi)和車外都有感應(yīng)功能的無人駕駛汽車,將可以大大減少每年超過3.7萬的交通事故死亡人數(shù),并且實現(xiàn)無人駕駛。
這些目標只能通過控制成本、減小尺寸、滿足汽車可靠性要求和擴大探測距離,同時確保人眼安全來實現(xiàn)。利用正確的激光技術(shù),LiDAR將可以采取下一步措施邁向更廣泛的部署。
TriLumina目前正為汽車ADAS(Advanced Driver Assistance Systems,高級駕駛輔助系統(tǒng))應(yīng)用開發(fā)VCSEL產(chǎn)品,并針對性能、尺寸、成本、人眼安全和汽車一級資質(zhì)等各個特定領(lǐng)域進行研究,以實現(xiàn)LiDAR的廣泛部署。這是基于專利倒裝芯片和背發(fā)射VCSEL陣列,而該陣列可將高脈沖功率陣列、集成微光學器件和電子束轉(zhuǎn)向集成在一個芯片上。
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