Ouster創始人兼首席執行官、Quanergy前聯合創始人Angus Pacala
搭載Ouster公司OS－1 64激光雷達的測試車輛
據麥姆斯咨詢報道，過去的一年，Ouster團隊常常被問及如何在如此緊湊、低成本的外形下實現令人難以置信的性能。現在，Ouster創始人兼首席執行官Angus Pacala很高興地宣布Ouster已經獲得了多項“多光束閃光（Multi－Beam Flash）”激光雷達（LiDAR）核心技術的基礎專利，這使Ouster能夠更公開地談論他們在過去三年中開發的令人驚嘆的技術，以及Ouster為什么能憑借一系列低成本、緊湊型半導體激光雷達傳感器（包括機械掃描型和固態傳感器）引領市場。
Angus Pacala想用這篇文章來深入探討Ouster實現數量級性能提升背后的技術，以及為什么它是最有可能進入未來每輛車以及每個戶外機器人的賦能技術。
不走尋常路的工作波長
雖然Ouster的技術適用于各種波長，但Ouster激光雷達的一個獨特特點是采用了850 nm工作波長。激光雷達中的激光器必須克服周圍的環境光才能“看”到障礙物。因此，激光雷達工程師通常會選擇低太陽光通量區域的工作波長，以簡化系統設計。而Ouster與這一趨勢背道而馳，選擇了在850 nm波長下工作。
上圖為地面太陽光子通量與波長的關系曲線，在850 nm波長處的太陽光比傳統激光雷達系統的工作波長905 nm、940nm、1550 nm分別高約2倍、10倍和3倍
由于Ouster的波長選擇與產業其它廠商背道而馳，因而其產品呈現了許多特色的外觀。但是，Ouster突破性的專利技術之一便是出色的環境光抑制性能，即使考慮太陽光譜的差異，也使Ouster傳感器探測到的有效環境光通量遠低于其他廠商其他波長的激光雷達傳感器。Ouster的專利技術把通常不利的因素轉變成了許多關鍵優勢：
1、更低的水汽吸收性：高層大氣中的水蒸氣吸收導致太陽光譜在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，地面的霧等濕度條件也會產生同樣的效應，吸收寶貴的激光能量，導致激光雷達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工作波長（如1550 nm）要低幾個數量級。這意味著Ouster激光不會在潮濕環境中被吸收，可以實現一致性更高的運行。當然，光譜的水蒸汽吸收問題不應與大氣中的液態水（如雨水或濃霧）相混淆，這對所有激光雷達傳感器來說都是挑戰。
2、更高的CMOS探測器靈敏度：硅基CMOS探測器在850 nm處比在較長波長處靈敏度高得多，例如，從850nm波長到905 nm波長靈敏度大約降低了2倍。在850 nm處設計Ouster激光雷達系統使其能夠檢測到更多反射回傳感器的激光，這相當于獲得了更長的探測距離和更高的分辨率。
3、更高的環境圖像質量：Ouster最近發布的固件使OS－1能夠收集激光雷達成像以外的環境圖像，850 nm工作波長便與此有很大關系。利用更多來自太陽的850 nm光子，環境圖像具有更高的信噪比，這在黎明、黃昏或陰天時更加有用。
4、采用更低功耗、更高效率的技術：Ouster專利技術使其能夠相比競爭對手，將任何工作波長下的環境“本底噪聲”降低一個數量級以上。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，而這些技術通常被認為不可能在傳統高性能激光雷達中應用。Ouster的技術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現更好的性能。
Ouster偶爾也會被問到人眼安全問題，Ouster使用的激光器遠低于人眼安全限制，并且已經被第三方實驗室認證為1級人眼安全的激光器。
單顆OS－1 64激光雷達傳感器的SLAM輸出
“多光束閃光”核心技術
在過去的三年中，Ouster開發了許多核心專利技術來解決過去使單芯片技術被排除在激光雷達之外的挑戰，最終通過“多光束閃光”激光雷達架構，充分發揮了垂直腔面發射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser， VCSEL）和單光子雪崩二極管（Single Photon Avalanche Diode， SPAD）的優勢。在Ouster的核心技術中，“閃光”指的是傳感器中的每個像素都被激光照射，并同時像帶閃光燈的相機一樣有效收集光線，“多光束”指的是用精確的光束而非大量的泛光來照明整個場景。
第二點可以追溯到Ouster對效率的專注研究：傳統閃光激光雷達中的泛光照明，雖然更容易開發，但卻會在探測器“看不到”的區域浪費激光功率。通過僅向探測器能“看到”的區域發射精確光束，Ouster實現了比傳統激光雷達更大的效率提升。
此外，目前的VCSEL和SPAD并沒有現在已在使用的高成本傳統技術那樣高效，但是它們在原始性能方面的幾乎所有其他指標都具有完勝優勢，例如：可靠性、耐用性、低噪音、高溫運行、電氣效率、緊湊性、成本、與外圍組件的直接集成、由消費電子產業推動的大規模外圍研發，以及基本性能方面的巨大改進空間。
最后一點非常重要，與其它技術不同，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，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。
單顆OS－1 64激光雷達的點云輸出
Ouster采用VCSEL，因為它們比其它激光器技術更小、更輕、更耐用、更快、更易于制造，并且功率效率更高。目前激光雷達系統中使用的某些類型的脈沖激光器（例如，1550 nm光纖激光器），可能需要花費數千美元并且功耗達到數十或數百瓦，而Ouster的VCSEL成本要低幾個數量級，功耗僅為數瓦，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曲線。
同時，Ouster的VCSEL與光學鼠標或智能手機中使用的器件不同。Ouster開發了定制化的VCSEL模塊，將所有激光器整合在一顆半導體芯片上。此外，Ouster在VCSEL設計的每個層面都取得了突破，將VCSEL有效亮度提高了幾個數量級，同時還將光脈沖縮短至幾個納秒。
Ouster的單芯片VCSEL具有大幅降低系統復雜性和成本的附加優勢。其它激光雷達需要在電路板上精密排布數十甚至數百個昂貴的激光器芯片和激光驅動電路，Ouster的激光雷達僅需要使用單顆激光驅動器和激光器芯片。因此，OS－1－64在每個方向上實現140米的探測距離，僅需要一塊不超過一粒米大小的玻璃片。
一種采用SPAD探測器的新型CMOS ASIC
Ouster激光雷達中的第二顆芯片是其定制設計的CMOS探測器ASIC，它采用了先進的SPAD陣列。SPAD是一種相對較新的光子傳感器，當檢測到光子時會產生一個二進制脈沖，與傳統的相機像素不同，后者產生的模擬信號會隨著探測器上的光量而不斷變化。SPAD具有單光子靈敏度、低噪聲和極佳的時間分辨率（典型的抖動在10 ps和100 ps之間。ps為皮秒，也就是萬億分之一秒！），所有這些優勢使它們成為Ouster激光雷達探測和超短激光脈沖的理想選擇。
與VCSEL一樣，CMOS SPAD和其它激光雷達制造商的傳統方法相比也具有許多實際優勢。最重要的是它們可以直接集成在CMOS晶圓中，從而在探測器旁邊的硅基芯片上整合大量的信號處理。
隨著激光雷達分辨率和數據速率的不斷提高，片上信號處理至關重要。目前的OS－1－64探測器能夠每秒計數并存儲超過一萬億個光子到片上存儲器中。這是一個龐大的數據量，Ouster已經在超過1000萬個晶體管中實現100 GMAC／s（1 GMAC ＝ 10億乘法累加運算）的信號處理邏輯，最終能夠每秒產生數百萬個3D點，其客戶可用于自動駕駛、環境測繪以及識別障礙物。
未來，對激光雷達的處理要求只會越來越高，Ouster憑借定制CMOS SPAD芯片已經處于領先地位。
SPAD也沿著摩爾定律的性能曲線前進。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），隨著技術的成熟，效率可提高至80％。SPAD探測器效率的提高，可以直接增加激光雷達的探測范圍和分辨率，SPAD探測器10倍的效率提升，極有可能使OS－1實現640線的分辨率。與激光雷達中使用的傳統探測器技術不同，Ouster的SPAD技術已經實現了市場領先的性能，但仍然具有一個數量級的改進空間。
在商用無人機上搭載Ouster激光雷達的室內3D掃描圖
目前，市場上有多家使用邊發射二極管激光器和APD的機械旋轉激光雷達公司；多家使用電信類光纖和頻率可調激光器的調頻連續波（FMCW）／多普勒激光雷達公司；多家使用光纖激光器的1550 nm掃描振鏡（galvo）激光雷達公司；以及多家MEMS掃描激光雷達公司，但是，Ouster是第一家將高性能SPAD和VCSEL方案商業化的公司。
高風險高回報，專注開發自己的ASIC
開發自己的ASIC是Ouster突破性能和成本的關鍵，但這種方案并非沒有風險。每個ASIC的“流片（Tape out）”都是一項數百萬美元的投資，其交付周期常以季度或年來衡量。設計中的錯誤時有發生，并且通常無法修復！
在Ouster創業的第一個三年里，流片出錯很可能會導致公司失敗，但Ouster的ASIC團隊一次又一次地出色表現，至今已經成功交付了七款ASIC，并且每款都比之前更強大、更可靠。Ouster團隊在這個高風險任務中的執行力得到了極大的回報，當然，他們并不認為這是理所當然的。
開辟自己的高速公路
據麥姆斯咨詢介紹，Ouster通過戰略性的工作波長選擇、環境光抑制突破以及集成的定制VCSEL和SPAD陣列，成功商業化了第一款使用VCSEL和SPAD的多光束閃光激光雷達。憑借其獨特方案，Ouster能夠相比市場上的其它公司，以更低的原材料成本和零售價格提供更強大、更高質量的3D激光雷達。
除了十幾項正在申請中的專利外，Ouster所做的不僅僅是構建有趣的技術和高性能的產品，其還將自己定位為激光雷達競爭市場的技術領導者。
最后，Angus Pacala說道：“撰文介紹我們的技術很棒，但交付高性能產品更讓人興奮。我們的激光雷達傳感器現已發貨，并被各行各業的數百位客戶使用，包括駕駛輔助、自動駕駛、機器人、測繪、安防和無人機等。”
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