技术博客丨势必打破智能驾驶瓶颈?ams开拓LiDAR新疆土

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如今,汽车可以自行完成各种任务,越来越不需要人工监督和干预,而在这个过程中,LiDAR发挥着重要作用。作为垂直腔表面发射激光(VCSEL)领域的领导者,ams将助力推动这一变革。

LiDAR是一种光学检测技术,用于测量和其他物体之间的距离。目前,LiDAR因广泛用于工业、测量和航空领域而闻名,也是自动驾驶的真正推动因素。随着汽车制造商继续致力于设计和开发高度复杂的自动驾驶系统,我们也相应地开发为这些系统提供支持的技术。为此,ams不断将大功率VCSEL推向汽车市场,并测试峰值功率、更短脉冲和其他扫描功能方面的限制,从而帮助我们的客户改善他们的LiDAR系统。

2019年,艾迈斯半导体与ZF和Ibeo合作,宣布推出True Solid State(纯固态)混合解决方案,该解决方案与Flash技术相似,无需活动部件,即可捕捉车辆周围的全景。而且通过按顺序给一部分激光器供电,即可生成扫描图案,融合了Flash系统和扫描系统的优势。

了解LiDAR现状

ams将LiDAR系统分为七个部分:测距原理、波长、波束转向原理、发射器技术和布局,以及接收器技术和布局。本文讨论前五个部分。

距离测量(测距)的最主要实现是直接飞行时间(dTOF):发射较短(几纳秒)的激光脉冲,该脉冲在遇到物体时返回接收器。发送和接收之间的时间差可以转换为距离测量值。此外,当占空比<1%时,此系统每秒执行数千次距离测量。激光脉冲通常在850-940nm范围内,元器件现成可用,且价格便宜。不过,这些系统也可以使用1300或1550nm的脉冲。一大优势在于,在合乎眼睛安全保护法规的同时可以提高功率,理论上,这可以提供更大的范围。缺点在于,元器件的价格非常高昂。

要扫描汽车周围的全景(或视场),该系统要能向所有方向发射脉冲。这就是波束转向原理。传统系统使用旋转式传感头和镜面来逐个部分地扫描视场。这类系统体积庞大,因此正在被内置移动镜面的静态系统所取代。MEMS镜也即将进入市场。另一种方法是Flash法,使用这种方法时无需任何移动部件。光源会照亮整个视场,然后传感器使用类似照片的单帧图像捕捉该视场中的所有景象。在照亮整个场景的情况下,为了保护眼睛安全,则必须限定范围。

至于发射器方面,常常仍会使用基于早期开发的边缘发射器。它们具有大功率密度,因此非常适合与MEMS镜配合使用。其中,第一个迭代是单个发射器,同时将2/4/8/16个发射器集成到单个条中。光纤激光器是另一项有趣的技术。它们提供更高的功率密度,一般用于1550nm的波长范围,而且通常作为单个发射器源提供。

ams是VCSEL发射器技术领域的领先供应商。我们的大功率VCSEL优于扫描和Flash方案,原因在于:它们能够在温度变化时保持稳定,不易因单个发射器发生故障而受到影响,并且易于集成。不过,VCSEL的最佳特性是它们能够构成发射器阵列。这使得VCSEL易于扩展。它还支持寻址功能,或者为裸片的选择区域供电。由此实现了True Solid State拓扑,我们认为这是最全面的LIDAR解决方案。


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LIDAR助力实现自动驾驶

在根据自主性对汽车进行分类时,最普遍接受的方式是依照汽车工程师学会(SAE)的定义。在 SAE 3及以上级别中,汽车接管驾驶员的职责,从提供辅助转变为自动驾驶。这意味着,车辆应该能够自行执行各种任务,无需人为监管和干预。要实现所需的系统性能,需要采用阶跃函数。其中1级和2级汽车为驾驶员提供辅助,一般依赖摄像头或雷达,或者两者的组合,但这些技术在3D对象检测方面存在一些缺陷。LiDAR技术克服了这些缺陷,并且行业普遍认为,对于3级以上的车辆,必须使用LiDAR来实施3D对象检测。

将3D LiDAR与摄像头和雷达组合或融合时,可以获取汽车周围的高分辨率全景图,使得汽车能够安全完成任务。一开始,汽车行业是在1级和2级汽车中实施较为简单直接的驾驶辅助用例。随着传感器和数据处理不断发展,应用场景开始涵盖难度更高的用例,例如高速巡航或城市巡航。

最后,当系统可以执行我们所能想到的每种用例时,我们将这定义为5级汽车,即全自动,也是自动驾驶的最高标准。目前来看,实现全自动还需要数年时间。此外,要将自动驾驶推向大众市场,行业还面临着降低成本、合理安排每辆汽车的巨大压力。

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