一年一度的CES展幾乎淪為汽車展,而在2017年的CES展中,自動駕駛技術(shù)幾乎成為了主角。作為自動駕駛的核心環(huán)境傳感器,激光雷達(dá)自然也備受矚目。
Quanergy公司的Solid State LiDAR S3在CES 2017上獲得了汽車智能類(Vehicle Intelligence Category)的最高獎項——最佳創(chuàng)新獎(Best of Innovation Award),則再一次讓Quanergy利用固態(tài)掃描技術(shù)賺足了眼球。而作為車用激光雷達(dá)的老大Velodyne也當(dāng)仁不讓,在CES展之前就發(fā)布消息,稱其與EPC(Efficient Power Conversion Corporation)共同研發(fā)有望將固態(tài)激光雷達(dá)成本降至50美金的核心芯片。當(dāng)然,展會上還有Innoviz和TriLumina也宣稱要推出固態(tài)激光雷達(dá),但受限于這兩家的公開資料太少,暫無法對其技術(shù)進(jìn)行分析。
下面針對Quanergy和Velodyne的公開資料,對其技術(shù)進(jìn)行簡單的分析。
一、Quanergy固態(tài)掃描技術(shù)
圖1 是Quanergy在2016年公開的Solid State LiDAR S3工作原理??梢钥闯鯯3采用的是光學(xué)相控陣技術(shù)實現(xiàn)激光掃描,其原理與相控陣?yán)走_(dá)一樣,通過調(diào)節(jié)發(fā)射陣列中每個發(fā)射單元的相位差來改變激光的出射角度。
圖 1 Quanergy的光學(xué)相控陣掃描雷達(dá)工作原理示意圖
光學(xué)相控陣是怎樣通過控制發(fā)射陣列中每個發(fā)射單元的相位差來改變激光的出射角度呢?
我們可以通過一個簡單的比喻來認(rèn)識光學(xué)相控陣是如何工作的(如圖 2所示):
假設(shè)有10個人在左側(cè)排成一列并排向前走,把他們的連線作為他們整體運動的陣列面,垂直于連線向右的方向為前進(jìn)方向。
● 如果10個人走路的速度都一樣時,則陣列面將平行向前移動,其前進(jìn)方向不會發(fā)生改變,如圖 2(a)所示;
● 如果最上方的人走得最慢,其他人的速度從上至下依次逐步增加,最下方的人走得最快,則陣列面不再是平行移動,當(dāng)經(jīng)過一段時間后,最下方的人走得路程最遠(yuǎn),最上方的人走得路程最短,其陣列面的前進(jìn)方向?qū)⑾蛏戏桨l(fā)生明顯的角度改變,如圖 2(b)所示;
● 如果最上方的人走得最快,其他人的速度從上至下依次逐步減少,最下方的人走得最慢,則經(jīng)過一段時間后,陣列面的前進(jìn)方向?qū)⑾蛳路桨l(fā)生明顯的角度改變,如圖 2(c)所示。
圖 2 光學(xué)相控陣的工作原理距離說明
光學(xué)相控陣的工作原理與上面的比喻類似,它的每一個單元都可以對所通過的光(人)的速度進(jìn)行控制。當(dāng)一束光被分成許多個小單元(人),每小單元的光束(人)都通過一個光學(xué)相控陣單元,并被相控陣單元對其速度進(jìn)行嚴(yán)格控制。當(dāng)每個小單元的光束以同樣的時間通過光學(xué)相控陣后,其速度恢復(fù)到進(jìn)入光學(xué)相控陣前的速度,但由于每個小單元的光束所走過的光程(路程)不一樣,通過光學(xué)相控陣后合成的波陣面(上面比喻中的陣列面)將發(fā)生明顯變化,從而使得光束的指向發(fā)生偏轉(zhuǎn),這就是光學(xué)相控陣的基本工作原理。
上面舉的是一維掃描的例子,如果我們把光學(xué)相控陣做成向二維陣列(如Quanergy的方案),我們就可以實現(xiàn)二維的掃描。光學(xué)相控陣一般都是通過電信號對其相位進(jìn)行嚴(yán)格的控制實現(xiàn)光束指向掃描,因此也可以稱為電子掃描技術(shù)。
與傳統(tǒng)機械掃描技術(shù)相比,光學(xué)相控陣掃描技術(shù)有三大優(yōu)勢:
● 掃描速度快:光學(xué)相控陣的掃描速度取決于所用材料的電子學(xué)特性和器件的結(jié)構(gòu),一般都可以達(dá)到MHz量級以上。
● 掃描精度或指向精度高:光學(xué)相控陣的掃描精度取決于控制電信號的精度(一般為電壓信號),可以做到μrad(千分之一度)量級以上。
● 可控性好:光學(xué)相控陣的光束指向完全由電信號控制,在允許的角度范圍內(nèi)可以做到任意指向,可以在感興趣的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行高密度的掃描,在其他區(qū)域進(jìn)行稀疏掃描,這對于自動駕駛環(huán)境感知非常有用。
但光學(xué)相控陣掃描技術(shù)也有它的缺點:
● 易形成旁瓣,影響光束作用距離和角分辨率:光束經(jīng)過光學(xué)相控陣器件后的光束合成實際是光波的相互干涉形成的,干涉效果易形成如下圖所示的旁瓣,使得激光能量被分散。
● 加工難度高:光學(xué)相控陣要求陣列單元尺寸必須不大于半個波長,一般目前激光雷達(dá)的工作波長均在1微米左右,這就意味著陣列單元的尺寸必須不大于500納米。而且陣列數(shù)越多,陣列單元的尺寸越小,能量約往主瓣集中,這就對加工精度要求更高。
圖 3 旁瓣示意圖
考慮到Quanergy公司的CEO兼聯(lián)合創(chuàng)始人Louay Eldada的技術(shù)背景和Quanergy對外發(fā)布的S3工作原理,如圖1所示,Quanergy應(yīng)該是采用了光通信中成熟的平面光波導(dǎo)技術(shù)制作光學(xué)相控陣掃描器件。為了獲得良好的相干合成效果,要求波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的尺寸非常微小,僅有幾百納米量級,可以承受通過的激光功率有限。這與水管越小,可容納的水流量越小一個道理。如果采用脈沖測距體制,將導(dǎo)致信噪比不足,探測距離有限,必須采用其他手段來彌補,譬如多脈沖、脈沖編碼或連續(xù)波調(diào)制等來提高信噪比。
另外,我們常說激光雷達(dá)的抗干擾能力強,那是因為傳統(tǒng)機械掃描的激光雷達(dá)接收視場特別小,外界的直接照射干擾信號很難對準(zhǔn)并進(jìn)入激光雷達(dá)的接收視場。而且,激光雷達(dá)能接收到的背景光噪聲功率是與接收視場成正比的,視場越大,背景光噪聲功率越高。Quanergy的光學(xué)相控陣掃描僅能對發(fā)射激光束指向進(jìn)行控制,不能實現(xiàn)接收光路進(jìn)行同步掃描,這就要求S3激光雷達(dá)必須采用一個大視場的接收光學(xué)系統(tǒng)來接收激光的回波信號。如果掃描角度范圍為±60o,那么接收視場的角度也必須達(dá)到±60o,這會造成信噪比的下降,而且容易受到其他同類系統(tǒng)發(fā)射的激光信號和太陽直射的干擾。
二、Velodyne的固態(tài)混合掃描
雖然Velodyne從VLP-16產(chǎn)品面世后才開始宣稱這款16先激光雷達(dá)采用“固態(tài)混合”(Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto)技術(shù),但實際上Velodyne從其第一款64線激光雷達(dá)HDL-64開始,采用的就是固態(tài)混合技術(shù)。圖 4~圖 6給出了Velodyne的HDL-64E、HDL-32E和VLP-16三款產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片,可以看出這三款產(chǎn)品除了HDL-64E的差異較大外,HDL-32E和VLP-16基本一樣,只不過VLP-16是在HDL-32E的基礎(chǔ)上減少了16線,并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。但實際上HDL-64E和HDL-32E、VLP-16采用的都是同一種技術(shù)。
圖 4 HDL-64E激光雷達(dá)內(nèi)部照片
圖 5 HDL-32E激光雷達(dá)內(nèi)部照片
圖 6 VLP-16 激光雷達(dá)內(nèi)部照片
Velodyne所有的產(chǎn)品在俯仰方向(垂直于水平面方向)均采用了電子掃描技術(shù),在方位方向(水平方向)采用機械360o旋轉(zhuǎn)掃描。
圖 7給出了一個類似于VLP-16的固態(tài)混合激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖 7 固態(tài)混合多線激光雷達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理示意圖
該雷達(dá)前端有一個發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和一個接收光學(xué)系統(tǒng),在發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)后端有N組發(fā)射模塊,而在接收光學(xué)后端有N組與發(fā)射模塊一一對應(yīng)的接收模塊(圖中背面遮擋不可見)。當(dāng)激光雷達(dá)開始工作時,N組發(fā)射模塊和N組接收模塊在電路的控制下按照一定的時間順序輪流工作,例如,在時刻1,發(fā)射模塊1工作,發(fā)射激光脈沖,同時接收模塊1接收目標(biāo)反射的發(fā)射模塊1發(fā)射的激光信號;在時刻2,發(fā)射模塊2工作,發(fā)射激光脈沖,同時接收模塊2接收目標(biāo)反射的發(fā)射模塊2發(fā)射的激光信號;……在時刻N,發(fā)射模塊N工作,發(fā)射激光脈沖,同時接收模塊N接收目標(biāo)反射的發(fā)射模塊N發(fā)射的激光信號。這樣在俯仰方向就可以形成非機械式的光學(xué)掃描,其掃描角度間隔由兩個相鄰模塊之間的間隔和光學(xué)系統(tǒng)的焦距來確定。Velodyne的所有產(chǎn)品在俯仰方向均采用這種“固態(tài)掃描”技術(shù)進(jìn)行掃描,在方位方向通過機械掃描實現(xiàn)360o旋轉(zhuǎn)掃描,這就是Velodyne的“固態(tài)混合掃描”。
Velodyne的這種固態(tài)掃描技術(shù)具有以下優(yōu)點:
● 掃描速度快:掃描速度只決于發(fā)射模塊的電子學(xué)響應(yīng)速度,不受材料的特性影響,可以實現(xiàn)比光學(xué)相控陣更高的掃描頻率。但其掃描角度一定設(shè)計好后就完全固定,不能通過電控進(jìn)行改變。
● 接收視場?。哼@種掃描技術(shù)是一種發(fā)射和接收同步掃描技術(shù),接收視場小,抗光干擾能力強,信噪比高。
● 可承受高的激光功率:這種掃描技術(shù)完全是在自由空間中進(jìn)行,可以采用高峰值功率的激光脈沖進(jìn)行高信噪比的探測。
同時,這種掃描技術(shù)也存在以下問題:
● 實現(xiàn)二維掃描比較困難:按照目前這種非集成式的模塊化設(shè)計難以實現(xiàn)二維掃描,必須通過機械或其他方式實現(xiàn)另一維的掃描。集成化是這種技術(shù)發(fā)展的必然趨勢,也是實現(xiàn)二維掃描的關(guān)鍵。
● 掃描角度固定:但其掃描角度一定設(shè)計好后就完全固定,不能通過電控進(jìn)行改變。
● 裝調(diào)工作量大:需要將發(fā)射和接收模塊進(jìn)行精密光學(xué)對準(zhǔn)裝配,工作繁復(fù),工作量大,大批量生產(chǎn)難度大。
三、總結(jié)
通過上述的分析可以看出,Quanergy的光學(xué)相控陣掃描技術(shù)和Velodyne的固態(tài)混合掃描技術(shù)各有優(yōu)缺點。Velodyne的產(chǎn)品多年來已經(jīng)得到實際的驗證和使用,其用戶遍及了汽車主機廠、自動駕駛研究機構(gòu)和三維測繪等領(lǐng)域,目前是大家公認(rèn)的市場老大。但因受到繁復(fù)的精密光學(xué)裝調(diào)工作量的影響,目前Velodyne的產(chǎn)能嚴(yán)重受限,遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上市場的需求。集成化是Velodyne解決裝調(diào)和成本問題的必然之路??梢钥吹?,Velodyne已經(jīng)開始向集成化的道路邁進(jìn),一旦實現(xiàn)高度集成后,其產(chǎn)能將不再受到制約,其成本也會大幅度降低。
Quanergy的光學(xué)相控陣技術(shù)代表的是一種新技術(shù),但新技術(shù)就意味著技術(shù)不完善。如果Quanery無法解決旁瓣、信噪比和光干擾等問題,實現(xiàn)遠(yuǎn)距離成像,那Quanergy的市場前景堪憂。一旦技術(shù)突破后,Quanergy必然能在市場上占據(jù)重要的位置。Quanergy在今年的CES展上透露,一季度可以向合作伙伴提供量產(chǎn)的S3產(chǎn)品,四季度可以提供給其他客戶,這對用戶來說是個利好消息。
至于市場對這兩家產(chǎn)品的具體反應(yīng),我們拭目以待!
本文作者朱少嵐,中國科學(xué)院大學(xué)博士,中國科學(xué)院精密機械研究所研究員,寧波傲視智繪光電科技有限公司創(chuàng)始人、董事長。2001 年進(jìn)入中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所工作,主要從事激光雷達(dá)及相關(guān)技術(shù)研究,為西安光機所激光雷達(dá)技術(shù)學(xué)科帶頭人,先后承擔(dān)多項激光雷達(dá)相關(guān)的國家重大專項項目研究。在國內(nèi)外 SCI、EI 等期刊上發(fā)表論文近三十余篇;申請專利近二十余項,獲授權(quán)發(fā)明專利十項。