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硅光FMCW固态激光雷达为自动驾驶赋能

最新更新时间:2023-04-13
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/导读/



     

     自动驾驶已成为大势所趋,激光雷达被普遍认为是高级别自动驾驶必备的传感器。在2022(第四届)激光雷达前瞻技术展示交流会上,针对未来可规模化上车的激光雷达,珠海映讯芯光科技有限公司(www.inxuntech.com)CTO杨光华博士做了题为“硅光FMCW固态激光雷达关键技术”的主题演讲,以下是杨博士演讲的主要内容。

01

自动驾驶激光雷达发展趋势


杨博士认为,作为核心传感器,规模化上车的激光雷达一定要满足性能、成本、可靠性、可量产性等苛刻要求;芯片化的硅光FMCW固态激光雷达技术路线是未来激光雷达发展的优选方向,其所涉及的关键技术包括FMCW、固态色散扫描和硅光技术等。


具体来说,激光雷达要实现规模化量产上车主要有两方面要求:一是性能,作为自动驾驶车辆的主激光雷达要能够看得远、看得清、看得广,探测距离要达到250、甚至300米,有足够高的像素点云密度、支持高精度测距和测速,视场角FOV要足够大。二是可量产性和低成本,目前市场上的车载主激光雷达售价在1000美元上下,要实现激光雷达更高渗透率,一定要降到500美元、甚至300美元以下的水平。


     从技术角度看,自动驾驶用激光雷达主要涉及探测技术和扫描技术。探测技术主要有ToF(脉冲飞行时间)和FMCW(调频连续波)两种模式;扫描技术可分为机械、半固态(MEMS、转镜)和全固态(色散、Flash和OPA)等。不同厂家的激光雷达采用了不同的探测技术、扫描技术和不同的激光波长。

从发展趋势上看,激光波长在从905向1550nm演进,探测技术在从ToF向FMCW演进,扫描方式在从机械向半固态、全固态演进。去光纤化的芯片化解决方案正快速发展,以Intel Mobileye、Aeva为代表的FMCW激光雷达的上车时间之前预计是在2025年,目前看2024年很大机会就会有量产车出现。

02

硅光FMCW固态激光雷达关键技术


     硅光FMCW固态激光雷达可满足高性能和低成本两方面的苛刻要求,是可量产、可规模化上车的激光雷达的优选技术路线。它所涉及的核心技术包括FMCW、固态色散扫描和硅光集成等。

     ToF和FMCW是激光雷达探测技术的两个主流技术路线。ToF大家都比较熟悉了;FMCW的基本原理是发射端发射一个频率连续可调的激光光束,其中一小部分留在本地作为本地光信号,而大部分信号作为探测光发射,发射光打在被测物体上、频率发生变化的反射光反射到雷达接收器,接收到的反射光与本地光进行相干混频解调后获得拍频信号,然后对拍频信号进行采样分析处理,通过算法解算出被测物体的距离和速度。

     FMCW技术具有明显的性能优势:FMCW采用相干检测方式,可以获得非常高的信噪比。得益于此,FMCW的探测距离在人眼安全条件下,可以轻松做到300米(市场上有基于FMCW技术的产品,探测距离可以做到500米、甚至上千米)。相干检测技术同时带来优异的抗干扰性能,可以抵抗日光、散射光、杂光等的干扰,还可抵抗其他激光雷达的互扰(抗干扰性能差、特别是抗互扰能力差是ToF的一个明显的缺陷;随着激光雷达渗透率逐渐提高,这个缺陷会严重影响ToF激光雷达的使用)。此外,基于多普勒原理,FMCW技术在测距的同时可以进行测速,获得高精度的速度场信息(因此FMCW激光雷达又被称为4D激光雷达)。再有,FMCW可以通过硅光集成实现芯片化,从而大幅降低成本、达到量产上车的成本要求。

     就FMCW收发系统来说,探测距离、精度、分辨率、扫描点频等是核心技术指标。而激光光源是这些指标的决定性因素。优质的光源,需要满足窄线宽、宽调谐范围、无跳模、快速和高线性度扫频、输出功率稳定、控制简单等要求。譬如更窄的线宽,能够为FMCW收发系统带来更加优异的信噪比,降低发射功率要求并提升FMCW激光雷达的整体性能。

     激光雷达的扫描方式正由传统的机械式扫描过渡到半固态的MEMS微振镜、转镜等方案,并向纯固态扫描,如色散扫描,FLASH,OPA等方向演进。随着这一发展趋势,激光雷达的性能得到极大的提升,稳定性及可靠性也得到完善。

     目前业界关注较多的OPA阵列扫描技术要实现应用落地,需要解决如旁瓣干扰、光损等诸多问题。色散扫描,主要利用色散效应,依靠可调谐激光器,波长色散元件等,实现固态扫描。这种高阶的扫描方式,拥有高可靠性、高扫描分辨率、动态灵活的扫描模式、低成本的芯片化集成、低功耗等优异的性能特点。

要实现色散扫描且达到较高的性能,窄线宽,波长可大范围扫描的激光光源是最核心的要求。映讯芯光掌握创新的纯固态色散扫描核心技术。利用可调谐光子技术适配色散效应的光学系统,并通过硅光技术实现高度芯片集成,能够让固态色散扫描方案实现应用且规模量产,为FMCW固态激光雷达赋能。
目前,无论是已量产的TOF激光雷达,还是正在研发的FMCW、OPA激光雷达,多数方案都是依靠各类分立器件的集成来实现雷达系统。这类方案的缺点是成本高、尺寸大、功耗高、可靠性低,难以实现大规模上车。
通过微电子技术CMOS工艺将系统芯片化,可以大幅降低系统成本、实现规模化应用。芯片化降本之路已经在毫米波雷达、光通信模块等领域得以验证。通过硅光技术实现芯片化集成也是激光雷达实现规模化上车的必由之路。
硅光技术利用CMOS工艺在硅基晶圆上实现光子器件的制备与光子/光电系统的集成。其优势在于融合了硅基半导体大规模、高可靠、低成本的特性与光子技术超高速率、超低功耗的优势。现在的硅光技术已可以在几平方毫米芯片上集成上千个光学部件,实现将激光器、扫描模块、探测器等所有光电器件的单片集成。这样的芯片集成技术,减少了约60-70%的分立器件,却拥有了高性能、低成本、小尺寸、低功耗等更加优异的表现。

03

映讯芯光为自动驾驶激光雷达芯片化而生

杨博士介绍说,映讯芯光是一家拥有领先硅光子集成芯片技术的硬科技创新企业,为自动驾驶激光雷达和高端传感应用提供核心器件与芯片化解决方案。在技术方面,公司掌握了高性能激光器技术、III-V族材料与硅片上集成技术、多通道收发一体FMCW光学引擎技术、纯固态色散扫描技术等;在硅光芯片设计、封装测试、光电系统研发、信号分析处理、4D点云AI算法等领域具有软硬件核心技术与持续创新能力。
基于对硅光子芯片技术、InP化合物半导体激光技术以及可调谐光子技术的长期研究和积累,映讯芯光可以为FMCW激光雷达整机客户提供窄线宽、可调谐的半导体激光器及高度硅光集成的FMCW激光雷达收发一体光学引擎;为下游激光雷达整机客户提升系统性能、降低技术门槛和整机成本提供了芯片化解决方案,解决了行业的关键痛点问题。
在光源方面映讯芯光为FMCW激光雷达客户提供线宽小于30kHz、调谐范围大于10nm,且快速无跳模扫频的激光器;为固态扫描激光雷达提供线宽小于50kHz、调频范围大于40nm,且控制简单的激光器。除上述两款应用于激光雷达的光源器件,映讯芯光还拥有更多不同参数的激光器产品,并可根据客户需求进行定制。
映讯芯光硅光FMCW固态激光雷达引擎将激光雷达约70%核心光学分立器件,如可调谐高性能激光器、探测器及色散扫描元件等,高度集成于单一芯片上、实现收发一体。未来规模化量产的FMCW激光雷达,将主要由光学引擎,电控IC和机械外壳三大部分组成。映讯芯光的固态激光雷达引擎方案,将推动FMCW激光雷达向轻量化,集成化,低成本及高性能方向发展。
除硅光激光光源和FMCW激光雷达光引擎外,映讯芯光还为下游客户提供4D点云分析处理解决方案。该方案能够分析处理FMCW激光雷达所感知获取的,包括三维空间位置信息及速度场信息在内的超高分辨率的4D点云数据,提供4D环境感知能力;可实现动静态物体探测区分、远距离物体探测识别、物体跟踪与位置预测等。同时,方案提供与ToF激光雷达基本一致的对外接口,最大程度兼容现有自动驾驶框架,帮助自动驾驶领域的客户更加平滑的由传统激光雷达升级为FMCW 4D激光雷达。

04

性能与成本的平衡是量产上车最优路径


杨博士最后总结,硅光FMCW固态激光雷达具备显著的性能与成本优势,是激光雷达量产上车的最优技术路径;硅光集成为激光雷达低成本批量上车提供了芯片化解决方案;映讯芯光掌握上述关键技术,自研的高性能硅光可调激光器、硅光FMCW固态激光雷达光学引擎等性能行业领先,将助力激光雷达早日大规模上车。


嘉宾简介:


杨光华博士,教授、博导、IET Fellow,珠海映讯芯光科技有限公司联合创始人、CTO。长期从事高级信号处理、人工智能领域的前沿科学研究及产业化工作;在一流国际期刊与会议上发表高水平论文100+篇;主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、广东省重点领域研发计划项目等各级各类项目20+项;获得国内、国际发明专利授权10+项。入选广东省珠江人才和广州市产业领军人才。


公司简介:

珠海映讯芯光科技有限公司(www.inxuntech.com)是一家拥有领先硅光子集成芯片技术的硬科技创新企业。核心技术团队由来自硅谷顶级芯片企业的芯片专家和国际化高科技企业的精英人才组成,是国际上少有的兼备掌握硅光子芯片和化合物半导体激光器芯片技术的团队。公司专注于研发、生产和销售基于硅光芯片的应用于高端传感和自动驾驶/机器人FMCW激光雷达的核心激光光源、光电集成器件及子系统产品。产品主要应用于自动驾驶激光雷达、光纤传感、测风雷达、医疗光子、OCT/工业测量/科研仪器等领域。

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