本文探討了當(dāng)今激光雷達系統(tǒng)面臨的五大挑戰(zhàn)以及如何克服這些挑戰(zhàn)。它還證明了，一旦消除了這些障礙，激光雷達將具備更廣泛的應(yīng)用空間。
在傳統(tǒng)汽車、自動駕駛汽車、無人機等許多應(yīng)用中，都可以利用激光雷達技術(shù)，用來提高汽車性能和安全性，服務(wù)更多工業(yè)流程，并在消費型產(chǎn)品中增加新的功能和特征。但是，目前存在五大挑戰(zhàn)阻礙了傳統(tǒng)激光雷達架構(gòu)做為一種經(jīng)濟高效的解決方案進行大規(guī)模應(yīng)用和推廣的可能性。
當(dāng)前在自主駕駛汽車試驗中使用的激光雷達對于訓(xùn)練AI系統(tǒng)非常有用，但是由于不符合尺寸、可靠性和成本要求，它無法在批量生產(chǎn)的車輛中實際部署。正在開發(fā)的新型LiDAR系統(tǒng)必須可以滿足廣泛生產(chǎn)部署的所有要求。下面，讓我們分析一下它需要克服的挑戰(zhàn)。
當(dāng)今LiDAR系統(tǒng)面臨的五大挑戰(zhàn)
激光雷達技術(shù)目前面臨五項重大挑戰(zhàn)，在解決這些挑戰(zhàn)之前，作為可在量產(chǎn)型車輛中廣泛部署的技術(shù)的LiDAR只能釋放一小部分潛力。
1 尺寸
許多現(xiàn)有的LiDAR系統(tǒng)都安裝在汽車頂部，是個大塊頭的旋轉(zhuǎn)單元，這種方案無法滿足汽車OEM廠商進行大規(guī)模市場部署的尺寸、成本或汽車認證要求。做為一種改進方案，目前有一些較小的旋轉(zhuǎn)式LiDAR裝置，可以分散布置在汽車的各個位置上，這種方案可以在一定程度上拓寬汽車應(yīng)用，但這些裝置仍然太大，或者在性能（分辨率和范圍）和尺寸之間進行了權(quán)衡和妥協(xié)。繼續(xù)將復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)裝置尺寸進一步壓縮的空間越來越小，使用無法進一步降低成本或滿足汽車等級要求的技術(shù)和元件帶來的回報越來越小。因此，需要在技術(shù)上進行根本性的改變。
2 成本
客戶們經(jīng)常對基于LiDAR系統(tǒng)的應(yīng)用演示感到激動萬分，但他們隨后便會不幸地發(fā)現(xiàn)，演示模型的出色表現(xiàn)往往依賴于昂貴的、規(guī)格超標(biāo)的組件，這些組件無法滿足汽車等級認證。推高成本的主要因素來自激光器與光學(xué)器件的對準(zhǔn)、實現(xiàn)足夠的輸出功率以滿足范圍要求，以及需要實施一種方法使激光束能夠覆蓋所需的視場。
今天在試驗中部署的激光雷達中使用的許多技術(shù)無法降低成本，限制了它在大眾市場的采用。盡管有人聲稱，增加激光雷達的產(chǎn)量將降低它的成本，但是，如果沒有在設(shè)計上的革命性變化，再高的產(chǎn)量也不足以把它的成本拉低到可以大規(guī)模應(yīng)用的地步。
3 可靠性
今天，大多數(shù)LiDAR系統(tǒng)都是基于機械或微機電系統(tǒng)（MEMS）的，具有移動部件的所有缺點，比如有限的可靠性。這些產(chǎn)品需要進行仔細校準(zhǔn)，制造成本高昂。由于大多數(shù)組成元件不具備在汽車級溫度范圍（－40°C至＋ 125°C）內(nèi)運行的資格，所以，它們在熱應(yīng)力下表現(xiàn)出較高的故障率。為了解決溫度等級問題，必須用固態(tài)的替代品替換運動部件，使得每個部件都能滿足汽車級溫度范圍要求。 然而，即使是像問世多年的固態(tài)激光技術(shù)要滿足汽車溫度范圍也需要好長一段路要走 － 目前很少有激光器能夠符合汽車溫度等級要求。
4 范圍
根據(jù)已有的演示，當(dāng)代的LiDAR系統(tǒng)可以進行相對長距離的操作，但是，為了達到這種性能水平，必須使用1，550納米波長的掃描激光器。在高功率的1550納米激光器和傳感器的加持下，它確實達到了較長的距離，但其價格非常高。現(xiàn)在，具有可比范圍和有吸引力的成本的廉價閃光激光技術(shù)已經(jīng)問世。
5 人眼安全
通常，1，550納米波長的光一直被認為是保證人眼安全的最佳選擇，它確實是一種比其他激光類型更安全的解決方案，其它激光可以穿透視網(wǎng)膜。然而，高成本的1，500納米DPSS、二極管泵浦fiver激光器或帶有EDFA激光器的DFB的主導(dǎo)地位受到新設(shè)備拓撲結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)，這些拓撲結(jié)構(gòu)使得波長更短，同時也更不安全。
解決尺寸上的挑戰(zhàn)
在尺寸上有什么好消息呢？現(xiàn)在，在汽車頂上安裝旋轉(zhuǎn)萬向節(jié)和笨重的旋轉(zhuǎn)器部署LiDAR的日子已經(jīng)到頭了。目前，通過使用合適的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）照明器可以減少LiDAR系統(tǒng)的占位面積。VCSEL激光器可以放在一個僅有幾個毫米大小的微芯片上。
這種技術(shù)可以大幅度降低LiDAR系統(tǒng)的整體占位面積，同時還能提供人眼安全的高功率，以照亮整個視野。LiDAR裝置的尺寸可以降低至大概卡片大小或者更小。在汽車應(yīng)用中，這種尺寸級別使得可以將LiDAR放置到汽車內(nèi)外的多個位置，以有效地測量從幾米到多達200多米的距離。這些變化可以幫助為自主駕駛汽車提供額外的環(huán)境監(jiān)控和防撞功能。
突破成本壁壘
降低尺寸的解決方案背后的技術(shù)和思維也可以大大推動成本節(jié)約。半導(dǎo)體垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），特別是波長為940納米的半導(dǎo)體VCSEL利用了現(xiàn)有針對手機等大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品進行了成本優(yōu)化的半導(dǎo)體工藝，使用硅芯片工藝代替了更昂貴的磷化銦（InP）和1550納米波長激光器和傳感器中發(fā)現(xiàn)的銦鎵砷（InGaAs）器件。
使用低成本的半導(dǎo)體制造工藝，再結(jié)合其它材料節(jié)省措施，可以將LiDAR裝置的成本降到200美元甚至更低，要知道，現(xiàn)在許多基于機械和MEMS的1550納米波長方案的成本都在一千美金以上。在200美元或以下的成本線上，在自主駕駛汽車上便可以部署多個LiDAR裝置，從而以一種具備成本效益的方式獲得先進的傳感能力和更高的安全性。
提高可靠性
今天，大多數(shù)LiDAR技術(shù)都是基于微機電系統(tǒng)或旋轉(zhuǎn)鏡，這些技術(shù)中含有許多移動部件，不僅生產(chǎn)成本高，而且故障率較高。值得一提的是，許多LiDAR系統(tǒng)必須在不太理想的氣候條件和高振動性的環(huán)境下運行。合適的940納米波長VCSEL模塊化激光器技術(shù)設(shè)計能夠滿足汽車AEC－Q100 1級溫度范圍。這項技術(shù)已經(jīng)在電信領(lǐng)域部署了二十多年，具有很高的可靠性。此外，VCSEL已經(jīng)在LiDAR要求的功率水平和AEC－Q100 1級溫度范圍內(nèi)進行了數(shù)百萬小時的測試，性能沒有任何降低。
增加范圍
通常，出于人眼安全限制，905納米波長的邊緣發(fā)射器激光器（EEL）限制在大約100米范圍內(nèi)，而1550納米波長激光器可以用在遠程應(yīng)用中實現(xiàn)人眼安全照明。不過，在可以預(yù)見的未來，激光器和1550納米傳感器的成本依然令人望而卻步。LiDAR行業(yè)曾經(jīng)固步自封地認為，實現(xiàn)人眼安全的遠程應(yīng)用的唯一方法便是使用1550納米波長的激光器和傳感器。
現(xiàn)在，940納米波長的激光器提供了另外一種解決方案－使用940納米的太陽光光譜（太陽光干擾最少）和規(guī)模量產(chǎn)的低成本VCSEL技術(shù)。940納米波長附近的環(huán)境光噪聲很小，使得可以在較低的激光光學(xué)功率下實現(xiàn)更高的范圍。您也許已經(jīng)在智能手機上使用了940納米波長VCSEL，以在極低的功率和短距離內(nèi)進行3D感應(yīng)。現(xiàn)在，VCSEL技術(shù)可以實現(xiàn)遠程距離，并支持人眼安全。您可以閱讀相關(guān)材料以了解這是怎么實現(xiàn)的。
在人眼安全上的創(chuàng)新
出于人眼安全的限制，905納米波長的邊緣發(fā)射器激光器（EEL）的應(yīng)用通常被限制在100米范圍內(nèi)。紅外激光附近的高功率連續(xù)光波對人眼來說并不安全，因為它們可以穿透視網(wǎng)膜進而損害視力，但是，在較低的占空比下，持續(xù)時間較低（脈沖時間約十億分之一秒）的高功率940納米波長激光光源可以被人眼承受（“人眼安全”）。今天的940納米波長VCSEL陣列和高亮度的點式光源以及邊緣發(fā)射激光器（EEL）完全不同。
940nm VCSEL陣列包含多個獨立的VCSEL激光器，功率相對較低，使用短脈沖，因此是安全的。該技術(shù)以非常低的重復(fù)率使用極窄脈沖（脈沖時間僅為十億分之一秒）。當(dāng)這些獨立的VCSEL激光器組合在一個陣列中時，它會產(chǎn)生一個具有高功率輸出的分布式光源以實現(xiàn)較長的距離，但是它的平均功率非常低，具有分布式光源，因此不會損害視網(wǎng)膜。比如，TriLumina開發(fā)了一種人眼安全的倒裝芯片形式的940納米波長脈沖VCSEL陣列，具有600瓦峰值光功率，可實現(xiàn)超過250米的范圍，它具有較低的占空比，平均光功率僅為半瓦。
廣泛部署LiDAR指日可待
雖然今天MEMS和機械形式的LiDAR的挑戰(zhàn)確實阻礙了它的更廣泛部署，但是這些挑戰(zhàn)可以通過新的VCSEL技術(shù)克服，進入2019年，它們也正在完成汽車認證。想象一下汽車內(nèi)外都具有感應(yīng)能力的自動駕駛汽車，它可以大大降低當(dāng)今每年37000多名交通事故死亡人數(shù)這個數(shù)字，并能實現(xiàn)自動駕駛。
這些目標(biāo)只能通過降低LiDAR系統(tǒng)的成本和尺寸、滿足汽車可靠性要求、提升感應(yīng)距離并確保人眼安全來實現(xiàn)。利用合適的激光技術(shù)，LiDAR可以百尺竿頭更進一步，實現(xiàn)更廣泛的部署。
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