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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(dá)傳感器在自動(dòng)駕駛和自動(dòng)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(dá)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(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛車輛部署高價(jià)值和高性能激光雷達(dá)系統(tǒng)。為此，現(xiàn)有的挑戰(zhàn)圍繞著激光雷達(dá)傳感器設(shè)備的巨大尺寸、重量和功耗。鑒于車輛平臺(tái)內(nèi)的這些限制，迫切需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)系統(tǒng)的小型化，同時(shí)提高其功能和資源效率。雖然當(dāng)前的激光雷達(dá)系統(tǒng)通常安裝在車輛外部，但其目標(biāo)是將這些設(shè)備無縫集成到車身部分，如保險(xiǎn)杠、格柵或車外燈。
自2020年以來，汽車供應(yīng)商Marelli與15個(gè)合作伙伴共同參與了歐盟1000萬歐元的TINKER項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在創(chuàng)建一種價(jià)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(dá)和激光傳感器封裝。Marelli對(duì)TINKER的貢獻(xiàn)是將緊湊型激光雷達(dá)系統(tǒng)集成到車輛的活動(dòng)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(diǎn)。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(duì)激光雷達(dá)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(dá)與其他傳感器和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行校準(zhǔn)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(dá)。（由Marelli提供）
關(guān)于在汽車上的位置，在未來十年內(nèi)，標(biāo)普全球/IHS Markit激光雷達(dá)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(gè)優(yōu)點(diǎn)。這在一定程度上是因?yàn)橛凶銐虻目臻g容納更多的激光雷達(dá)傳感器，標(biāo)普預(yù)測到2035年，激光雷達(dá)傳感器的數(shù)量將從24個(gè)增加到35個(gè)。前角位置還提供了更好的FOV調(diào)平選項(xiàng)，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(dá)和激光雷達(dá)攝像頭以及照明設(shè)備的主機(jī)。該系統(tǒng)可以更早地識(shí)別物體，并提供比以往任何時(shí)候都大的視角。
設(shè)計(jì)和仿真
要開始構(gòu)建集成激光雷達(dá)系統(tǒng)，必須首先考慮具體的設(shè)計(jì)，然后對(duì)其進(jìn)行模擬。25年來，總部位于柏林的VPIphotonics已成為光子設(shè)計(jì)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(jì)架構(gòu)。這些工具經(jīng)過設(shè)計(jì)，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(dá)技術(shù)時(shí)顯示出顯著的相似性，部分原因是最近對(duì)自由空間光通信的支持進(jìn)行了升級(jí)。新增強(qiáng)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(dá)應(yīng)用中光子集成電路（PIC）的更詳細(xì)物理級(jí)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(shí)現(xiàn)使用環(huán)形諧振腔部分進(jìn)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(tái)來設(shè)計(jì)和模擬PIC，便于在實(shí)際制造過程開始之前進(jìn)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(dá)相機(jī)是基于一個(gè)由數(shù)十萬個(gè)類似昆蟲眼睛的小眼類感光細(xì)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(dá)系統(tǒng)的DeepLight混合集成激光器基于氮化硅和MEMS驅(qū)動(dòng)器。（由DeepLight提供）
例如，對(duì)于調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)的系統(tǒng)級(jí)模擬，該軟件可以使用簡單的三角波形調(diào)頻激光器對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行建模。然后將信號(hào)分為探測信號(hào)和參考信號(hào)。探測信號(hào)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(duì)信號(hào)衰減的影響。此外，如果目標(biāo)正在移動(dòng)，則可以考慮多普勒頻移。然后，信號(hào)通過光通道和循環(huán)器反射回來，在那里它與參考信號(hào)合并以進(jìn)行平衡光電檢測。這一過程允許對(duì)距離和速度測量性能的不同損傷進(jìn)行系統(tǒng)研究。
激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)
西班牙的Ommatidia lidar提供了一個(gè)集成激光雷達(dá)架構(gòu)的有趣示例。其目的是解決現(xiàn)有激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)的一個(gè)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较颉＿@會(huì)限制可用于返回信號(hào)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(yuǎn)程、高分辨率3D激光雷達(dá)相機(jī)，該相機(jī)基于由數(shù)十萬個(gè)類似小昆蟲眼睛的感光細(xì)胞組成的傳感器。該設(shè)計(jì)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(gè)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(dá)方案基于FMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過將低功率采樣信號(hào)與高功率本地振蕩器信號(hào)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(hào)可確保對(duì)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(jìn)行。
Ommatidia的Q1相機(jī)有128個(gè)平行通道，可以在高達(dá)50米的高度提供計(jì)量級(jí)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(dòng)態(tài)，而無需昂貴的儀器。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于室內(nèi)和室外的現(xiàn)場使用，具有IP54防護(hù)和堅(jiān)固的組件。下一步是通過解決其可擴(kuò)展性，將該技術(shù)引入新市場。
激光源需要考慮的事項(xiàng)
激光雷達(dá)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(dòng)器，用于基于相干檢測的汽車FMCW激光雷達(dá)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(gè)主要缺點(diǎn)。作為回應(yīng)，DeepLight正在基于超低損耗氮化硅平臺(tái)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(dá)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(shí)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(gè)組成部分是基于MEMS的致動(dòng)器的使用，該公司將其與氮化硅單片集成，以實(shí)現(xiàn)數(shù)十兆赫范圍內(nèi)的致動(dòng)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(kuò)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(gè)在高達(dá)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(shí)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(dá)和其他廣泛的應(yīng)用。
激光雷達(dá)光學(xué)濾波器
光學(xué)濾波器是大多數(shù)集成激光雷達(dá)系統(tǒng)的另一個(gè)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(huì)影響激光雷達(dá)準(zhǔn)確檢測和測量周圍物體的能力，這使得光學(xué)濾波器對(duì)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(dá)系統(tǒng)中最便宜的部件，但其設(shè)計(jì)和性能對(duì)傳感器性能有很大影響。許多為激光雷達(dá)應(yīng)用設(shè)計(jì)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(dá)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(dá)到特定閾值時(shí)向最終用戶發(fā)出警報(bào)；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(dá)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(shí)，Si:H有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。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(shí)的藍(lán)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(dá)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(dá)系統(tǒng)所需的濾波器帶寬減少多達(dá)60%，同時(shí)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(dá)在過去10年中主要專注于汽車平臺(tái)，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(jī)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(dá)處理軟件。例如，在機(jī)場航站樓或火車站，該技術(shù)可以使用唯一的ID跟蹤每個(gè)人及其行李。當(dāng)達(dá)到特定閾值時(shí)，例如某個(gè)位置的產(chǎn)能過剩或等待時(shí)間超過可接受的最大值時(shí)，該解決方案會(huì)向這些設(shè)施的管理者發(fā)出警報(bào)。該軟件可以進(jìn)一步分析長時(shí)間（有時(shí)是數(shù)月甚至數(shù)年）發(fā)生的模式數(shù)據(jù)。這項(xiàng)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(dòng)或相互作用的模式的任何位置。例如，可以對(duì)道路交叉口進(jìn)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(qiáng)的事故預(yù)防措施。
對(duì)于Outsight，大規(guī)模監(jiān)控激光雷達(dá)系統(tǒng)的兩個(gè)主要需求驅(qū)動(dòng)因素是，與相機(jī)相比，該技術(shù)的成本越來越低，性能越來越高。例如，在機(jī)場環(huán)境中，四個(gè)360°視場的激光雷達(dá)系統(tǒng)可以提供比30個(gè)攝像頭更多的數(shù)據(jù)和更大的覆蓋范圍。選擇激光雷達(dá)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(dá)模擬器，該模擬器考慮了應(yīng)用需求以及每個(gè)傳感器的特定功能和特點(diǎn)。該解決方案可以幫助確定激光雷達(dá)型號(hào)和制造商的最佳組合，以及如何最佳定位它們。
另一個(gè)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(shí)時(shí)計(jì)算關(guān)鍵性能指標(biāo)，這些指標(biāo)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(dá)品牌和型號(hào)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(jìn)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(dá)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(dá)的發(fā)展展現(xiàn)了技術(shù)進(jìn)步的融合，有望重塑汽車和其他行業(yè)。而且，隨著激光雷達(dá)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(gè)領(lǐng)域不可或缺的一部分。
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