本文作者：Ivan Nikitskiy（歐洲光子學(xué)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟）

激光制造網(wǎng) 編譯

微電子和傳感器，尤其是激光雷達傳感器在自動駕駛和自動駕駛汽車領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些技術(shù)的市場潛力巨大，人們不由猜想：未來兩年內(nèi)，汽車激光雷達市場的規(guī)模將翻一番。

安全是汽車行業(yè)最為關(guān)心的問題，因此必須為高級駕駛員輔助系統(tǒng)和自動駕駛車輛部署高價值和高性能激光雷達系統(tǒng)。為此，現(xiàn)有的挑戰(zhàn)圍繞著激光雷達傳感器設(shè)備的巨大尺寸、重量和功耗。鑒于車輛平臺內(nèi)的這些限制，迫切需要進一步實現(xiàn)激光雷達系統(tǒng)的小型化，同時提高其功能和資源效率。雖然當(dāng)前的激光雷達系統(tǒng)通常安裝在車輛外部，但其目標是將這些設(shè)備無縫集成到車身部分，如保險杠、格柵或車外燈。

自2020年以來，汽車供應(yīng)商Marelli與15個合作伙伴共同參與了歐盟1000萬歐元的TINKER項目，該項目旨在創(chuàng)建一種價格合理且資源高效的方法，使用納米壓印光刻方法生產(chǎn)雷達和激光傳感器封裝。Marelli對TINKER的貢獻是將緊湊型激光雷達系統(tǒng)集成到車輛的活動空間。例如，傳感器布置必須提供全面的水平和垂直視野（FOV），并盡量減少盲點。此外，它必須最大限度地覆蓋周圍環(huán)境，并考慮到汽車后視鏡、玻璃窗和薄柱子的任何復(fù)雜遮擋。其他工程挑戰(zhàn)包括最小化成本、形狀因素以及天氣和環(huán)境條件對激光雷達性能的影響；工程師還必須平衡距離、精度和分辨率，并將激光雷達與其他傳感器和實時數(shù)據(jù)處理進行校準和同步。

Marelli的智能角落解決方案，用于在汽車前照燈中放置集成激光雷達。（由Marelli提供）

關(guān)于在汽車上的位置，在未來十年內(nèi)，標普全球/IHS Markit激光雷達數(shù)據(jù)庫的2023年數(shù)據(jù)顯示，汽車的中前部和前角明顯受到青睞。與安裝在車頂或擋風(fēng)玻璃上的系統(tǒng)相比，前角解決方案具有幾個優(yōu)點。這在一定程度上是因為有足夠的空間容納更多的激光雷達傳感器，標普預(yù)測到2035年，激光雷達傳感器的數(shù)量將從24個增加到35個。前角位置還提供了更好的FOV調(diào)平選項，最大限度地減少暴露在外部條件下，優(yōu)化美學(xué)集成，并結(jié)合了清潔、加熱和布線系統(tǒng)。

因此，Marelli開發(fā)了智能角落解決方案，其中前照燈、尾燈和車輛前格柵包含面板，作為傳感器、雷達和激光雷達攝像頭以及照明設(shè)備的主機。該系統(tǒng)可以更早地識別物體，并提供比以往任何時候都大的視角。

設(shè)計和仿真

要開始構(gòu)建集成激光雷達系統(tǒng)，必須首先考慮具體的設(shè)計，然后對其進行模擬。25年來，總部位于柏林的VPIphotonics已成為光子設(shè)計和分析集成和互操作模擬軟件工具的市場領(lǐng)導(dǎo)者。這些工具包括VPI transmission Maker光學(xué)系統(tǒng)和VPI component Maker光子電路，它們支持分層設(shè)計架構(gòu)。這些工具經(jīng)過設(shè)計，可以無縫地一起使用。

VPI transmission Maker光學(xué)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)通信和電信行業(yè)的支柱，在應(yīng)用于激光雷達技術(shù)時顯示出顯著的相似性，部分原因是最近對自由空間光通信的支持進行了升級。新增強的自由空間光通道模型支持大氣條件建模，包括天氣、海拔、風(fēng)速等。

VPI component Maker光子電路工具適用于激光雷達應(yīng)用中光子集成電路（PIC）的更詳細物理級建模。該工具包括無源和有源元件的模型，例如分布式反饋或分布式布拉格反射激光器和光學(xué)相控陣。這些組件可以在PIC內(nèi)互連，以實現(xiàn)使用環(huán)形諧振腔部分進行調(diào)諧的廣泛可調(diào)諧混合III-V/硅激光器的功能。該軟件允許組合不同的材料平臺來設(shè)計和模擬PIC，便于在實際制造過程開始之前進行靈敏度分析，以調(diào)查制造公差。

盡管外觀簡單，但Ommatidia的高分辨率3D激光雷達相機是基于一個由數(shù)十萬個類似昆蟲眼睛的小眼類感光細胞組成的傳感器。（由Ommatidia提供）

用于調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達系統(tǒng)的DeepLight混合集成激光器基于氮化硅和MEMS驅(qū)動器。（由DeepLight提供）

例如，對于調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達的系統(tǒng)級模擬，該軟件可以使用簡單的三角波形調(diào)頻激光器對發(fā)射機進行建模。然后將信號分為探測信號和參考信號。探測信號通過循環(huán)器和自由空間光通道模型傳輸，從而能夠分析各種大氣條件對信號衰減的影響。此外，如果目標正在移動，則可以考慮多普勒頻移。然后，信號通過光通道和循環(huán)器反射回來，在那里它與參考信號合并以進行平衡光電檢測。這一過程允許對距離和速度測量性能的不同損傷進行系統(tǒng)研究。

激光雷達結(jié)構(gòu)

西班牙的Ommatidia lidar提供了一個集成激光雷達架構(gòu)的有趣示例。其目的是解決現(xiàn)有激光雷達結(jié)構(gòu)的一個基本性能限制，即它們將光發(fā)射限制為短脈沖或?qū)⒐庾蛹性谔囟ǚ较?。這會限制可用于返回信號的光子數(shù)量，從而限制范圍和分辨率。

為了解決這些問題，Ommatidia開發(fā)了遠程、高分辨率3D激光雷達相機，該相機基于由數(shù)十萬個類似小昆蟲眼睛的感光細胞組成的傳感器。該設(shè)計能夠發(fā)射和檢測更多的光子，以及前所未有的范圍和分辨率。這種新穎的仿生靈感構(gòu)建允許使用整個場景的連續(xù)寬幅照明，并首次在3D成像中安全使用高功率照明。

Ommatidia的激光雷達方案基于FMCW激光雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過將低功率采樣信號與高功率本地振蕩器信號混合放大來提供相干和平衡檢測。這提供了單光子靈敏度、有限的散粒噪聲和高距離精度。此外，僅混合共享相同頻率調(diào)制的信號可確保對太陽輻射干擾的免疫力，而振幅和相位檢測則通過光學(xué)混頻器進行。

Ommatidia的Q1相機有128個平行通道，可以在高達50米的高度提供計量級測量。該設(shè)備包括成像測振功能，可以以非接觸方式顯示結(jié)構(gòu)的動態(tài)，而無需昂貴的儀器。該系統(tǒng)設(shè)計用于室內(nèi)和室外的現(xiàn)場使用，具有IP54防護和堅固的組件。下一步是通過解決其可擴展性，將該技術(shù)引入新市場。

激光源需要考慮的事項

激光雷達的激光源是一種快速發(fā)展的組件技術(shù)。例如，瑞士初創(chuàng)公司DeepLight正在開發(fā)混合集成激光器，該激光器利用氮化硅和MEMS驅(qū)動器，用于基于相干檢測的汽車FMCW激光雷達系統(tǒng)。該方法使系統(tǒng)能夠以高靈敏度測量物體速度，并且在大于200米的長距離范圍內(nèi)干擾最小。

然而，該技術(shù)需要窄線寬激光器和高啁啾線性度，這是一個主要缺點。作為回應(yīng)，DeepLight正在基于超低損耗氮化硅平臺開發(fā)更易于控制的高性能激光器。

VIAVI解決方案用于激光雷達系統(tǒng)的氫化硅（Si:H）濾波器的示意圖。（由VIAVI Solutions提供）

該解決方案基于三種技術(shù)。第一種是多波長半導(dǎo)體激光器的混合集成，其中包括由直接帶隙III-V化合物制成的增益元件。其次，為了實現(xiàn)比光纖激光器低10倍的噪聲，DeepLight正在利用超低損耗氮化硅來提高激光器的光譜純度。第三個組成部分是基于MEMS的致動器的使用，該公司將其與氮化硅單片集成，以實現(xiàn)數(shù)十兆赫范圍內(nèi)的致動范圍。

使用這三種技術(shù)模塊，DeepLight為其系統(tǒng)探索了三種不同的激光架構(gòu)：分布式反饋/法布里-珀羅二極管的自注入鎖定；擴展分布式布拉格反射激光器；以及外腔激光器。

DeepLight原型的性能看起來令人印象深刻。其中一個在高達100 kHz的掃描速率下表現(xiàn)出0.1%的均方根非線性，沒有任何線性化或失真，這是時間分辨外差拍頻測量的理想選擇。憑借這一性能水平，DeepLight的技術(shù)非常適合用于激光雷達和其他廣泛的應(yīng)用。

激光雷達光學(xué)濾波器

光學(xué)濾波器是大多數(shù)集成激光雷達系統(tǒng)的另一個重要組件。光學(xué)濾波器可以阻擋因光線條件變化或迎面而來的前照燈反射而產(chǎn)生的不需要的信息。這種情況會影響激光雷達準確檢測和測量周圍物體的能力，這使得光學(xué)濾波器對于確保系統(tǒng)只從所需波長的光中收集正確的數(shù)據(jù)至關(guān)重要。

光學(xué)濾波器必須在各種變化的光照條件下可靠工作，雖然濾波器可能是激光雷達系統(tǒng)中最便宜的部件，但其設(shè)計和性能對傳感器性能有很大影響。許多為激光雷達應(yīng)用設(shè)計的濾波器基于交替的低折射率層和高折射率層，以產(chǎn)生干擾并適當(dāng)濾光。

軟件開發(fā)人員Outsight的3D激光雷達數(shù)據(jù)處理解決方案可以跟蹤人或車輛，以分析模式，并在達到特定閾值時向最終用戶發(fā)出警報；它可以檢測到特定位置的產(chǎn)能過剩、交通瓶頸，甚至容易發(fā)生近距離事故的十字路口。（由Outsight提供）

VIAVI Solutions是美國領(lǐng)先的激光雷達開發(fā)商濾光器供應(yīng)商，其產(chǎn)品組合中采用了氫化硅（Si:H）制造的產(chǎn)品。

當(dāng)用作高折射率材料時，Si:H有兩個主要優(yōu)點。首先，它的高折射率支持低成本系統(tǒng)。其次，與用傳統(tǒng)材料構(gòu)造的帶通濾波器相比，那些利用Si:H的濾波器可以減少光線在增加入射角時的藍移。此功能增加了可用帶寬，從而減少了總體所需的帶寬。

隨著激光雷達行業(yè)引入第二代產(chǎn)品，其成本和性能變得更加重要。因此，需要窄帶寬系統(tǒng)在不顯著增加成本的情況下提供更好的信噪比。因此，VIAVI正在研究新的概念，以提高其光學(xué)濾波器的制造公差。如果成功，該公司可以將激光雷達系統(tǒng)所需的濾波器帶寬減少多達60%，同時提高傳感器性能并保持可管理的成本。

其他應(yīng)用領(lǐng)域

盡管激光雷達在過去10年中主要專注于汽車平臺，但該技術(shù)已開始在汽車以外的應(yīng)用領(lǐng)域釋放巨大機遇。其中包括監(jiān)控人群或交通模式，以提高這些人口密集環(huán)境的安全保障。

Outsight成立于2019年，總部位于巴黎，為這一領(lǐng)域提供3D激光雷達處理軟件。例如，在機場航站樓或火車站，該技術(shù)可以使用唯一的ID跟蹤每個人及其行李。當(dāng)達到特定閾值時，例如某個位置的產(chǎn)能過?；虻却龝r間超過可接受的最大值時，該解決方案會向這些設(shè)施的管理者發(fā)出警報。該軟件可以進一步分析長時間（有時是數(shù)月甚至數(shù)年）發(fā)生的模式數(shù)據(jù)。這項技術(shù)可以應(yīng)用于終端用戶需要了解人或車輛如何移動或相互作用的模式的任何位置。例如，可以對道路交叉口進行監(jiān)控，以檢測未遂事故，提醒城市管理人員可能需要制定加強的事故預(yù)防措施。

對于Outsight，大規(guī)模監(jiān)控激光雷達系統(tǒng)的兩個主要需求驅(qū)動因素是，與相機相比，該技術(shù)的成本越來越低，性能越來越高。例如，在機場環(huán)境中，四個360°視場的激光雷達系統(tǒng)可以提供比30個攝像頭更多的數(shù)據(jù)和更大的覆蓋范圍。選擇激光雷達的類型、范圍和覆蓋范圍取決于應(yīng)用程序的需求以及客戶的預(yù)算。

確定最佳配置可能很復(fù)雜。作為回應(yīng)，Outsight開發(fā)了一款3D激光雷達模擬器，該模擬器考慮了應(yīng)用需求以及每個傳感器的特定功能和特點。該解決方案可以幫助確定激光雷達型號和制造商的最佳組合，以及如何最佳定位它們。

另一個復(fù)雜的領(lǐng)域是如何將系統(tǒng)產(chǎn)生的大量原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可操作的智能。Outsight的解決方案是實時計算關(guān)鍵性能指標，這些指標可以直接顯示在儀表板或任何與API連接的系統(tǒng)中，該公司制造的系統(tǒng)與95%的現(xiàn)有激光雷達品牌和型號兼容。

結(jié)論

由于在更集成的系統(tǒng)、更好的模擬工具以及不斷改進的激光源和濾光器方面取得了突破，汽車應(yīng)用的集成激光雷達技術(shù)在性能和成本方面不斷發(fā)展。從更緊湊的系統(tǒng)到受生物啟發(fā)的傳感器架構(gòu)，激光雷達的發(fā)展展現(xiàn)了技術(shù)進步的融合，有望重塑汽車和其他行業(yè)。而且，隨著激光雷達的創(chuàng)新不斷展開，它的提升將為未來鋪平道路，在未來，精確高效的環(huán)境傳感將成為各個領(lǐng)域不可或缺的一部分。