电子发烧友网报道(文/梁浩斌)自动驾驶激光雷达的路线之争,现阶段来看MEMS振镜扫描+ToF测距是最大的赢家。实际上,MEMS和机械转镜式的扫描结构也是目前唯二可以实现规模量产的,并且体积足够小,可以安装在乘用车上的激光雷达产品。
但未来通往纯固态激光雷达的道路上,有业内人士认为OPA(光学相控阵)扫描+FMCW测距的激光雷达会是最终的最佳方案。只是问题在于,OPA虽然从各方面来看都是扫描效率最高的形式,但截至目前还未有实用的产品落地,相比于其他的比如Flash、FMCW等实现纯固态激光雷达的技术,落地进度显然要落后一大截。
OPA激光雷达的新进展
最近丹麦技术大学研究小组两名成员Hao Hu和Yong Liu在《光学》期刊中发布了文章,介绍了一款基于芯片的新型光束控制技术。Hao Hu表示,他们的成果将为基于OPA的低成本紧凑型激光雷达奠定了基础。
在激光雷达中,光束控制是最关键的技术之一,目前MEMS、转镜等机械式的光束控制系统都有一些局限性,由于机械部件的存在对震动较为敏感,且扫描速度有限。基于芯片的OPA激光雷达,则可以不需要机械结构就可以实现快速精准控制光线,但由于技术原因,目前的大多OPA设备的光束质量较差,视场角也难以突破100°。
OPA激光雷达的原理是,通过多个激光发射单元组成发射阵列,通过调节发射阵列中各个单元的相位差,来改变激光光束的发射角度,在设定方向上产生互相加强的干涉从而实现高强度的指向光束,完成扫描。
一直以来,OPA激光雷达进展缓慢的一个重要原因是旁瓣效应难以解决。旁瓣效应是由于光学衍射产生的一种邻近效应。在OPA激光雷达上,光束通过OPA器件后的光束合成实际是由光波的相互干涉形成的,因此容易形成阵列干扰,令激光能量被分散,在最终出现光学伪影等问题。也正是因为这种原因,OPA视场和光束质量之间难以平衡。
所以这次该研究小组设计了一种新型的OPA结构,用平板光栅取代传统的OPA多个发射器。由于平板光栅中的相邻通道本身可以非常接近,可以在靠近单个发射器中进行干涉和光束形成,所以相邻通道之间的耦合在平板光栅中不会产生干扰,可以消除叠混误差。同时,研究人员还采用其他的光学技术,以降低背景噪声并减少旁瓣效应等光学伪影等。
在实测中,这套新型的OPA系统可以实现±70°光束转向无混叠,但也出现了一些光束衰减的情况。而通过将光源波长从1480nm调谐至1580nm来测试垂直方向上的光束控制,最终实现13.5°垂直方向的调谐范围。测试是在光束宽度为2.1°的情况下进行的,目前该研究小组还正在努力降低光束宽度,希望实现更高分辨率和更远范围内的波束控制。
各大厂商进展如何?
国外方面,Quanergy是最早进入OPA激光雷达领域的公司,2012年创立于硅谷。今年5月,Quanergy公布了其OPA激光雷达实现250米的检测距离,而15个月前这个数字是100米。据Quanergy官方介绍,其OPA技术基于CMOS工艺兼容的硅光芯片,可以实现大规模生产。但截至目前,Quanergy的S系列OPA激光雷达依然难以达到大规模量产的同时满足客户要求。除此之外,Analog Photonics、Voyant Photonics、Scantinel Photonics 等国外OPA激光雷达玩家均预计要到2025年后才实现规模量产。
国内也有很多激光雷达厂商以及科研机构在OPA方向进行投入,包括洛微科技、万集科技、力策科技等等。在OPA激光雷达的关键硅光芯片上,今年7月,扬州群发换热器有限公司和美国密歇根大学合作,表示经过多年研发掌握OPA 2D/3D激光雷达全新专利技术,并在国内完成多轮迭代的流片工作,其中OPA 2D激光雷达试制芯片各项技术指标均达到设计要求,即将进入产业化发展阶段。同时OPA 3D激光雷达芯片的研发也在进行中。
另一家在国内走得较前的OPA激光雷达公司洛微科技,在去年9月完成了第二代硅光FMCW SoC和OPA激光雷达硅光芯片的流片。前面也提到FMCW+OPA可能是激光雷达的终极形态吗,洛微科技也是在创立之初确立了采用FMCW和OPA技术的纯固态激光雷达发展方向。据洛微科技官网显示,采用了LuminScan光束控制系统的D系列纯固态激光雷达已经推出,基于自研硅光芯片,探测距离达30m,视场角120°×90°,角分辨率为0.3°×0.3°。
力策科技在2019年时表示2020年将实现OPA激光雷达完全的定型量产,而目前官网上已经出现了一款远距离OPA激光雷达,型号为LT-X。LT-X扫描视场角为60°×60°,采用了波长905nm的光源,测量距离最高可大于200m,旁瓣抑制《30db。
总体而言,OPA激光雷达相比与其他纯固态激光雷达,比如采用Flash、FMCW等技术的产品大规模落地进度可能要晚2-3年。但芯片化、集成度高,未来规模量产后成本较低、且具备抗干扰能力强、探测距离远、扫描频率高等优势,OPA技术未来有一统自动驾驶激光雷达产业的潜力。随着硅光芯片工艺提升、以及光束质量的进一步提高,相信OPA技术会被更多激光雷达厂商选择。
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原文标题:自动驾驶的终极感知方案?OPA激光雷达有了新进展
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