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pp电子:FMCW激光雷达核心技术及量产难点分析
2021-10-24 00:48
本文摘要:据麦姆斯咨询报导,最近Aurora全资并购Blackmore了,这否代表激光雷达(LiDAR)的未来发展方向?本文企图从国外汽车制造商及Tier1供应商的投资逻辑,从毫米波雷达的历史来分析一下调频连续波(FMCW)激光雷达的技术前景以及其中的量产难题。

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据麦姆斯咨询报导,最近Aurora全资并购Blackmore了,这否代表激光雷达(LiDAR)的未来发展方向?本文企图从国外汽车制造商及Tier1供应商的投资逻辑,从毫米波雷达的历史来分析一下调频连续波(FMCW)激光雷达的技术前景以及其中的量产难题。FMCW激光雷达被称作激光雷达领域皇冠上的明珠,相比于脉冲式激光雷达具有显著的性能优势,主要反映在以下几个方面:1.外用太阳光和其它激光的阻碍,确保传感器的安全可靠;2.多普勒效应单像素动态GPS,获取4D信息,有助目标分类;3.更高的灵敏度和动态范围(>60dB);4.合适硅光子和相控阵(OPA)技术低成本批量生产。FMCW激光雷达的门槛低、发展晚,不为大多数人熟知。

全世界能做到脉冲式激光雷达的较少说道有上百家,但能做到FMCW激光雷达的寥寥无几。于是以所谓外行看热闹,内行看门道,只有不懂FMCW的人才能喜爱它。想到最近的几个案例:2017年标准化Cruise并购Strobe;2018年宝马、丰田投资Blackmore;还有2019年5月24日Aurora并购Blackmore。

全世界的激光雷达厂商那么多,为何Cruise、宝马、丰田、Aurora都对FMCW青睐有加?财大气粗也罢,押宝赛道也罢,人家知道是钱多人屌吗?NO。想到遍地开花的毫米波雷达就告诉了,完全仅有是基于FMCW原理。所以,应当是他们的投资策略高瞻远瞩。

据传闻,Intel正在研发基于硅光子的FMCW激光雷达,苹果和Waymo也在评估和谋求转入FMCW激光雷达领域。铺垫完,接下来我们借“Aurora全资并购Blackmore”的新闻,来鸡一下几家美国FMCW激光雷达公司背后的核心技术。FMCW激光雷达有几大组成部分(参照图1):1)线性调频较宽线宽激光;2)MZI干涉仪;3)光束扫瞄机构;4)均衡光电探测器;5)数字信号处理。这里每一个模块相比于脉冲式激光雷达都更加有可玩性,但其中最考验厂家功力的是线性调频较宽线宽激光器,而这也正是Blackmore和Strobe具有多年累积的看家本领了。

图1:FMCW激光雷达框架示意图首先想到Blackmore。它是由坐落于美国蒙大拿(Montana)的BridgerPhotonics正式成立的子公司,因此Blackmore的FMCW技术来自于其母公司。

他们早于在十年前就开始研发线性调频激光测距技术了,图2来自他们十年前公开发表的论文。明确的调频牵涉到电机驱动、PZT压电陶瓷驱动和电流驱动。熟知光栅光线外腔调谐激光器的朋友们马上会想起NewFocusvelocity系列激光器——它就是使用电机造就光栅转动构建短距离大范围调频,再加PZT压电陶瓷高速转动高速小范围调频,以及通过半导体激光器的电流驱动构建更高速度的小范围调频。图2:利用自差拍电影技术构建宽带激光调频线性化的实验装置图3和表格1节录Blackmore母公司BridgerPhotonics于2015年申请人的一篇专利(US20150071315A1),更进一步证实了上述猜测。

该专利中也所列了几种激光器选项:Thorlabs的PICO-Dtrade;激光器、LunaTechnologies的Phoenix1000trade;激光器,以及AdvancedSemiconductorlasers家的不得而知型号激光器。在这三家激光器中,PICO-D刚好是用于外置光栅调频的外腔激光器(参看图4),与BrdgerPhotonics论文和专利中叙述的通过三个有所不同调频机制构建对系统调节的叙述完全一致。

如果Blackmore在当前的产品中仍然在用于该类型激光器,以及专利中叙述的激光调频线性化方案,那么可以指出其激光雷达不有可能符合量产车规的拒绝。为什么呢?首先,这款激光器的成本小于2万美元,并且其用于的光栅外腔结构体积大,在汽车振动环境中也很难维持稳定性和可靠性。而在图2和图3中,他们所用于的激光调频线性化方案,用于了成本、功耗和体积都很高的AOM声光调制器,这些都明显减少激光系统的成本和体积,使其完全不有可能符合量产自动驾驶汽车的拒绝。

还有一个问题是,依据上述专利中的叙述,激光扫频范围大约为50GHz,而表格1中激光扫频速率为5THz/s,也就是说必须10ms的扫描时间。这很难符合取样速度、帧亲率和FMCW动态GPS的拒绝。当然这是几年前的信息,他们否早已寻找其它替代的激光器嗣后不得而知。也许过一段时间,Aurora不会找到其中的端倪。

图3:BridgePhotonics线性调频激光构建方案表格1:BrdigePhotonics专利中列出的几种有可能用于的种子激光源图4:ThorlabsPICO-Dtrade;激光器及其结构示意图话说回来,用于这种大范围(几十到上百纳米)扫频激光器可以测量物体的意味著长度,并且超过相似微米级别的测量精度,这在工业高精度测量中大有用武之地,这大约是为什么德国ZEISS今年年初投资了美国FMCW激光雷达公司——BridgerPhotonics的原因吧。


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