Ouster創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官、Quanergy前聯(lián)合創(chuàng)始人Angus Pacala
搭載Ouster公司OS－1 64激光雷達(dá)的測(cè)試車輛
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，過去的一年，Ouster團(tuán)隊(duì)常常被問及如何在如此緊湊、低成本的外形下實(shí)現(xiàn)令人難以置信的性能。現(xiàn)在，Ouster創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Angus Pacala很高興地宣布Ouster已經(jīng)獲得了多項(xiàng)“多光束閃光（Multi－Beam Flash）”激光雷達(dá)（LiDAR）核心技術(shù)的基礎(chǔ)專利，這使Ouster能夠更公開地談?wù)撍麄冊(cè)谶^去三年中開發(fā)的令人驚嘆的技術(shù)，以及Ouster為什么能憑借一系列低成本、緊湊型半導(dǎo)體激光雷達(dá)傳感器（包括機(jī)械掃描型和固態(tài)傳感器）引領(lǐng)市場(chǎng)。
Angus Pacala想用這篇文章來深入探討Ouster實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)性能提升背后的技術(shù)，以及為什么它是最有可能進(jìn)入未來每輛車以及每個(gè)戶外機(jī)器人的賦能技術(shù)。
不走尋常路的工作波長(zhǎng)
雖然Ouster的技術(shù)適用于各種波長(zhǎng)，但Ouster激光雷達(dá)的一個(gè)獨(dú)特特點(diǎn)是采用了850 nm工作波長(zhǎng)。激光雷達(dá)中的激光器必須克服周圍的環(huán)境光才能“看”到障礙物。因此，激光雷達(dá)工程師通常會(huì)選擇低太陽光通量區(qū)域的工作波長(zhǎng)，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而Ouster與這一趨勢(shì)背道而馳，選擇了在850 nm波長(zhǎng)下工作。
上圖為地面太陽光子通量與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，在850 nm波長(zhǎng)處的太陽光比傳統(tǒng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)905 nm、940nm、1550 nm分別高約2倍、10倍和3倍
由于Ouster的波長(zhǎng)選擇與產(chǎn)業(yè)其它廠商背道而馳，因而其產(chǎn)品呈現(xiàn)了許多特色的外觀。但是，Ouster突破性的專利技術(shù)之一便是出色的環(huán)境光抑制性能，即使考慮太陽光譜的差異，也使Ouster傳感器探測(cè)到的有效環(huán)境光通量遠(yuǎn)低于其他廠商其他波長(zhǎng)的激光雷達(dá)傳感器。Ouster的專利技術(shù)把通常不利的因素轉(zhuǎn)變成了許多關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：
1、更低的水汽吸收性：高層大氣中的水蒸氣吸收導(dǎo)致太陽光譜在905 nm、940 nm和1550 nm處有顯著下降，但是激光脈沖在地表傳輸時(shí)，地面的霧等濕度條件也會(huì)產(chǎn)生同樣的效應(yīng)，吸收寶貴的激光能量，導(dǎo)致激光雷達(dá)接收器捕獲的激光減少。相比之下，850 nm光譜在所有條件下都具有更低的大氣水汽吸收，比其它流行的激光雷達(dá)工作波長(zhǎng)（如1550 nm）要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著Ouster激光不會(huì)在潮濕環(huán)境中被吸收，可以實(shí)現(xiàn)一致性更高的運(yùn)行。當(dāng)然，光譜的水蒸汽吸收問題不應(yīng)與大氣中的液態(tài)水（如雨水或濃霧）相混淆，這對(duì)所有激光雷達(dá)傳感器來說都是挑戰(zhàn)。
2、更高的CMOS探測(cè)器靈敏度：硅基CMOS探測(cè)器在850 nm處比在較長(zhǎng)波長(zhǎng)處靈敏度高得多，例如，從850nm波長(zhǎng)到905 nm波長(zhǎng)靈敏度大約降低了2倍。在850 nm處設(shè)計(jì)Ouster激光雷達(dá)系統(tǒng)使其能夠檢測(cè)到更多反射回傳感器的激光，這相當(dāng)于獲得了更長(zhǎng)的探測(cè)距離和更高的分辨率。
3、更高的環(huán)境圖像質(zhì)量：Ouster最近發(fā)布的固件使OS－1能夠收集激光雷達(dá)成像以外的環(huán)境圖像，850 nm工作波長(zhǎng)便與此有很大關(guān)系。利用更多來自太陽的850 nm光子，環(huán)境圖像具有更高的信噪比，這在黎明、黃昏或陰天時(shí)更加有用。
4、采用更低功耗、更高效率的技術(shù)：Ouster專利技術(shù)使其能夠相比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，將任何工作波長(zhǎng)下的環(huán)境“本底噪聲”降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。這使Ouster激光器和接收器能夠使用各種低功耗、高效率的技術(shù)，而這些技術(shù)通常被認(rèn)為不可能在傳統(tǒng)高性能激光雷達(dá)中應(yīng)用。Ouster的技術(shù)專注于以更低的成本、更低的功耗、更小的尺寸和更少的組件來實(shí)現(xiàn)更好的性能。
Ouster偶爾也會(huì)被問到人眼安全問題，Ouster使用的激光器遠(yuǎn)低于人眼安全限制，并且已經(jīng)被第三方實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證為1級(jí)人眼安全的激光器。
單顆OS－1 64激光雷達(dá)傳感器的SLAM輸出
“多光束閃光”核心技術(shù)
在過去的三年中，Ouster開發(fā)了許多核心專利技術(shù)來解決過去使單芯片技術(shù)被排除在激光雷達(dá)之外的挑戰(zhàn)，最終通過“多光束閃光”激光雷達(dá)架構(gòu)，充分發(fā)揮了垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser， VCSEL）和單光子雪崩二極管（Single Photon Avalanche Diode， SPAD）的優(yōu)勢(shì)。在Ouster的核心技術(shù)中，“閃光”指的是傳感器中的每個(gè)像素都被激光照射，并同時(shí)像帶閃光燈的相機(jī)一樣有效收集光線，“多光束”指的是用精確的光束而非大量的泛光來照明整個(gè)場(chǎng)景。
第二點(diǎn)可以追溯到Ouster對(duì)效率的專注研究：傳統(tǒng)閃光激光雷達(dá)中的泛光照明，雖然更容易開發(fā)，但卻會(huì)在探測(cè)器“看不到”的區(qū)域浪費(fèi)激光功率。通過僅向探測(cè)器能“看到”的區(qū)域發(fā)射精確光束，Ouster實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)激光雷達(dá)更大的效率提升。
此外，目前的VCSEL和SPAD并沒有現(xiàn)在已在使用的高成本傳統(tǒng)技術(shù)那樣高效，但是它們?cè)谠夹阅芊矫娴膸缀跛衅渌笜?biāo)都具有完勝優(yōu)勢(shì)，例如：可靠性、耐用性、低噪音、高溫運(yùn)行、電氣效率、緊湊性、成本、與外圍組件的直接集成、由消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)推動(dòng)的大規(guī)模外圍研發(fā)，以及基本性能方面的巨大改進(jìn)空間。
最后一點(diǎn)非常重要，與其它技術(shù)不同，VCSEL和SPAD可以將基本性能提高10倍，Ouster正與合作伙伴一起投資研發(fā)，不斷改善這些器件的核心特性。Ouster無疑已處于這一方向的最前沿，能夠提供具有高清分辨率的緊湊型激光雷達(dá)。
單顆OS－1 64激光雷達(dá)的點(diǎn)云輸出
Ouster采用VCSEL，因?yàn)樗鼈儽绕渌す馄骷夹g(shù)更小、更輕、更耐用、更快、更易于制造，并且功率效率更高。目前激光雷達(dá)系統(tǒng)中使用的某些類型的脈沖激光器（例如，1550 nm光纖激光器），可能需要花費(fèi)數(shù)千美元并且功耗達(dá)到數(shù)十或數(shù)百瓦，而Ouster的VCSEL成本要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，功耗僅為數(shù)瓦，且尺寸更小巧。此外，隨著全球上千億顆VCSEL出貨，Ouster還在性能、批量和成本方面遵循摩爾定律改進(jìn)曲線。
同時(shí)，Ouster的VCSEL與光學(xué)鼠標(biāo)或智能手機(jī)中使用的器件不同。Ouster開發(fā)了定制化的VCSEL模塊，將所有激光器整合在一顆半導(dǎo)體芯片上。此外，Ouster在VCSEL設(shè)計(jì)的每個(gè)層面都取得了突破，將VCSEL有效亮度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)還將光脈沖縮短至幾個(gè)納秒。
Ouster的單芯片VCSEL具有大幅降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本的附加優(yōu)勢(shì)。其它激光雷達(dá)需要在電路板上精密排布數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)昂貴的激光器芯片和激光驅(qū)動(dòng)電路，Ouster的激光雷達(dá)僅需要使用單顆激光驅(qū)動(dòng)器和激光器芯片。因此，OS－1－64在每個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)140米的探測(cè)距離，僅需要一塊不超過一粒米大小的玻璃片。
一種采用SPAD探測(cè)器的新型CMOS ASIC
Ouster激光雷達(dá)中的第二顆芯片是其定制設(shè)計(jì)的CMOS探測(cè)器ASIC，它采用了先進(jìn)的SPAD陣列。SPAD是一種相對(duì)較新的光子傳感器，當(dāng)檢測(cè)到光子時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制脈沖，與傳統(tǒng)的相機(jī)像素不同，后者產(chǎn)生的模擬信號(hào)會(huì)隨著探測(cè)器上的光量而不斷變化。SPAD具有單光子靈敏度、低噪聲和極佳的時(shí)間分辨率（典型的抖動(dòng)在10 ps和100 ps之間。ps為皮秒，也就是萬億分之一秒！），所有這些優(yōu)勢(shì)使它們成為Ouster激光雷達(dá)探測(cè)和超短激光脈沖的理想選擇。
與VCSEL一樣，CMOS SPAD和其它激光雷達(dá)制造商的傳統(tǒng)方法相比也具有許多實(shí)際優(yōu)勢(shì)。最重要的是它們可以直接集成在CMOS晶圓中，從而在探測(cè)器旁邊的硅基芯片上整合大量的信號(hào)處理。
隨著激光雷達(dá)分辨率和數(shù)據(jù)速率的不斷提高，片上信號(hào)處理至關(guān)重要。目前的OS－1－64探測(cè)器能夠每秒計(jì)數(shù)并存儲(chǔ)超過一萬億個(gè)光子到片上存儲(chǔ)器中。這是一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)量，Ouster已經(jīng)在超過1000萬個(gè)晶體管中實(shí)現(xiàn)100 GMAC／s（1 GMAC ＝ 10億乘法累加運(yùn)算）的信號(hào)處理邏輯，最終能夠每秒產(chǎn)生數(shù)百萬個(gè)3D點(diǎn)，其客戶可用于自動(dòng)駕駛、環(huán)境測(cè)繪以及識(shí)別障礙物。
未來，對(duì)激光雷達(dá)的處理要求只會(huì)越來越高，Ouster憑借定制CMOS SPAD芯片已經(jīng)處于領(lǐng)先地位。
SPAD也沿著摩爾定律的性能曲線前進(jìn)。雖然今天的SPAD可能僅有2～5％的效率，新的SPAD效率為20～30％（在850nm波長(zhǎng)），隨著技術(shù)的成熟，效率可提高至80％。SPAD探測(cè)器效率的提高，可以直接增加激光雷達(dá)的探測(cè)范圍和分辨率，SPAD探測(cè)器10倍的效率提升，極有可能使OS－1實(shí)現(xiàn)640線的分辨率。與激光雷達(dá)中使用的傳統(tǒng)探測(cè)器技術(shù)不同，Ouster的SPAD技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了市場(chǎng)領(lǐng)先的性能，但仍然具有一個(gè)數(shù)量級(jí)的改進(jìn)空間。
在商用無人機(jī)上搭載Ouster激光雷達(dá)的室內(nèi)3D掃描圖
目前，市場(chǎng)上有多家使用邊發(fā)射二極管激光器和APD的機(jī)械旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)公司；多家使用電信類光纖和頻率可調(diào)激光器的調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）／多普勒激光雷達(dá)公司；多家使用光纖激光器的1550 nm掃描振鏡（galvo）激光雷達(dá)公司；以及多家MEMS掃描激光雷達(dá)公司，但是，Ouster是第一家將高性能SPAD和VCSEL方案商業(yè)化的公司。
高風(fēng)險(xiǎn)高回報(bào)，專注開發(fā)自己的ASIC
開發(fā)自己的ASIC是Ouster突破性能和成本的關(guān)鍵，但這種方案并非沒有風(fēng)險(xiǎn)。每個(gè)ASIC的“流片（Tape out）”都是一項(xiàng)數(shù)百萬美元的投資，其交付周期常以季度或年來衡量。設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤時(shí)有發(fā)生，并且通常無法修復(fù)！
在Ouster創(chuàng)業(yè)的第一個(gè)三年里，流片出錯(cuò)很可能會(huì)導(dǎo)致公司失敗，但Ouster的ASIC團(tuán)隊(duì)一次又一次地出色表現(xiàn)，至今已經(jīng)成功交付了七款A(yù)SIC，并且每款都比之前更強(qiáng)大、更可靠。Ouster團(tuán)隊(duì)在這個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)中的執(zhí)行力得到了極大的回報(bào)，當(dāng)然，他們并不認(rèn)為這是理所當(dāng)然的。
開辟自己的高速公路
據(jù)麥姆斯咨詢介紹，Ouster通過戰(zhàn)略性的工作波長(zhǎng)選擇、環(huán)境光抑制突破以及集成的定制VCSEL和SPAD陣列，成功商業(yè)化了第一款使用VCSEL和SPAD的多光束閃光激光雷達(dá)。憑借其獨(dú)特方案，Ouster能夠相比市場(chǎng)上的其它公司，以更低的原材料成本和零售價(jià)格提供更強(qiáng)大、更高質(zhì)量的3D激光雷達(dá)。
除了十幾項(xiàng)正在申請(qǐng)中的專利外，Ouster所做的不僅僅是構(gòu)建有趣的技術(shù)和高性能的產(chǎn)品，其還將自己定位為激光雷達(dá)競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。
最后，Angus Pacala說道：“撰文介紹我們的技術(shù)很棒，但交付高性能產(chǎn)品更讓人興奮。我們的激光雷達(dá)傳感器現(xiàn)已發(fā)貨，并被各行各業(yè)的數(shù)百位客戶使用，包括駕駛輔助、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人、測(cè)繪、安防和無人機(jī)等。”
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