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調頻連續(xù)波激光雷達技術的前景及面臨的難題

工程師鄧生 ? 來源:微迷網 ? 作者:微迷網 ? 2020-01-16 17:22 ? 次閱讀

本文試圖從國外汽車制造商及Tier 1供應商的投資邏輯,從毫米波雷達的歷史來分析一下調頻連續(xù)波(FMCW)激光雷達的技術前景以及其中的量產難點。

FMCW激光雷達被稱為激光雷達領域皇冠上的明珠,相較于脈沖式激光雷達有著明顯的性能優(yōu)勢,主要體現在以下幾個方面:

1. 抗太陽光和其它激光的干擾,保證傳感器的安全可靠;

2. 多普勒效應單像素實時測速,提供4D信息,有助于目標分類;

3. 更高的靈敏度和動態(tài)范圍(>60dB);

4. 適合硅光子和相控陣(OPA)技術低成本批量生產。

FMCW激光雷達的門檻高、發(fā)展晚,不為大多數人所知。全世界能做脈沖式激光雷達的少說有上百家,但能做FMCW激光雷達的寥寥無幾。正所謂外行看熱鬧,內行看門道,只有懂FMCW的人才能欣賞它。看看最近的幾個案例:2017年通用Cruise收購Strobe;2018年寶馬、豐田投資Blackmore;還有2019年5月24日Aurora收購Blackmore。

全世界的激光雷達廠商那么多,為何Cruise、寶馬、豐田、Aurora都對FMCW青睞有加?財大氣粗也罷,押寶賽道也罷,人家真的是錢多人傻嗎?NO。看看遍地開花的毫米波雷達就知道了,幾乎全是基于FMCW原理。所以,應該是他們的投資策略高瞻遠矚。據傳聞,Intel正在研發(fā)基于硅光子的FMCW激光雷達,蘋果和Waymo也在評估和尋求進入FMCW激光雷達領域。

鋪墊完畢,接下來我們借“Aurora全資收購Blackmore”的新聞,來扒一下幾家美國FMCW激光雷達公司背后的核心技術。

FMCW激光雷達有幾大組成部分(參考圖1):1)線性調頻窄線寬激光;2)MZI干涉儀;3)光束掃描機構;4)平衡光電探測器;5)數字信號處理。這里每一個模塊相較于脈沖式激光雷達都更有難度,但其中最考驗廠家功力的是線性調頻窄線寬激光器,而這也正是Blackmore和Strobe有著多年積累的看家本領了。

調頻連續(xù)波激光雷達技術的前景及面臨的難題

圖1:FMCW激光雷達框架示意圖

首先看看Blackmore。它是由位于美國蒙大拿(Montana)的Bridger Photonics成立的子公司,因此Blackmore的FMCW技術來自于其母公司。他們早在十年前就開始研發(fā)線性調頻激光測距技術了,圖2來自他們十年前發(fā)表的論文。具體的調頻涉及電機驅動、PZT壓電陶瓷驅動和電流驅動。熟悉光柵反射外腔調諧激光器的朋友們馬上會想到New Focus velocity系列激光器——它就是采用電機帶動光柵旋轉實現低速大范圍調頻,加上PZT壓電陶瓷高速偏轉高速小范圍調頻,以及通過半導體激光器的電流驅動實現更高速度的小范圍調頻。

圖2:利用自差拍技術實現寬帶激光調頻線性化的實驗裝置

圖3和表1摘自Blackmore母公司Bridger Photonics于2015年申請的一篇專利(US20150071315A1),進一步證實了上述猜測。該專利中也列出了幾種激光器選項:Thorlabs的PICO-D鈩?激光器、Luna Technologies的Phoenix 1000鈩?激光器,以及Advanced Semiconductor lasers家的未知型號激光器。在這三家激光器中,PICO-D恰好是使用外置光柵調頻的外腔激光器(參見圖4),與Brdger Photonics論文和專利中描述的通過三個不同調頻機制實現反饋調節(jié)的描述一致。

如果Blackmore在當前的產品中依然在使用該類型激光器,以及專利中描述的激光調頻線性化方案,那么可以認為其激光雷達不可能滿足量產車規(guī)的要求。為什么呢?首先,這款激光器的成本大于2萬美元,并且其使用的光柵外腔結構體積大,在汽車振動環(huán)境中也很難保持穩(wěn)定性和可靠性。而在圖2和圖3中,他們所使用的激光調頻線性化方案,使用了成本、功耗和體積都很高的AOM聲光調制器,這些都顯著增加激光系統的成本和體積,使其幾乎不可能滿足量產自動駕駛汽車的要求。還有一個問題是,依據上述專利中的描述,激光掃頻范圍約為50GHz,而表1中激光掃頻速率為5THz/s,也就是說需要10ms的掃描時間。這很難滿足采樣速度、幀率和FMCW實時測速的要求。當然這是幾年前的信息,他們是否已經找到其它替代的激光器暫不得而知。或許過一段時間,Aurora會發(fā)現其中的端倪。

圖3:Bridge Photonics線性調頻激光實現方案

表1:Brdige Photonics專利中列舉的幾種可能使用的種子激光源

圖4:Thorlabs PICO-D鈩?激光器及其結構示意圖

話說回來,使用這種大范圍(幾十到上百納米)掃頻激光器可以測量物體的絕對長度,并且達到接近微米級別的測量精度,這在工業(yè)高精度測量中大有用武之地,這大概是為什么德國ZEISS今年年初投資了美國FMCW激光雷達公司——Bridger Photonics的原因吧。

其實Blackmore在激光器上所面臨的問題,Cruise或許已經經歷了。2017年10月,通用汽車旗下子公司Cruise收購了FMCW激光雷達公司——Strobe。Strobe的技術來源于其母公司OEwaves,核心調頻激光器示意圖見圖5(來源:專利US8605760)。該激光器通過注入式鎖頻鎖定在WGM諧振器的諧振頻率上,通過物理方法例如電光效應或壓電形變,可以高速改變諧振器頻率牽引激光頻率。該激光器體積小,可以實現高速線性調頻,剛好滿足FMCW激光雷達對激光器的需求。該外腔激光器同樣面臨著生產復雜、高成本、低可靠性等問題。

圖5:Strobe線性調頻激光(US8605760)

自2017年收購以后,關于Strobe激光雷達的新聞幾乎沒有,并且從Cruise依然在使用Velodyne脈沖式激光雷達也可看出Strobe激光雷達可能在可靠性和量產方面依然面臨諸多問題。

另外,從當今汽車毫米波雷達領域觀察,FMCW技術占據了絕對主導地位,可以預見FMCW激光雷達未來極具潛力,也難怪通用寶馬豐田Aurora在眾多激光雷達廠商中相中了還處于發(fā)展早期的FMCW激光雷達公司。而FMCW激光雷達最核心的線性調頻激光器依然是制約其發(fā)展的瓶頸。熟悉毫米波雷達技術發(fā)展史的人應該知道,早在上世紀八九十年代,FMCW毫米波雷達同樣面臨著如何解決VCO線性調頻的難題。如果對比一下激光器和微波振蕩器,以及激光雷達和毫米波雷達,可以發(fā)現兩大領域的發(fā)展是一脈相承的,只是相隔一二十年。

線性調頻激光器技術不局限于本文描述的外腔調諧激光方案,其它方案還包括使用單頻激光加單邊調制器、基于半導體激光線性化調頻方案等。國內有科研院所使用過光纖激光器加單邊調制加光放大器的方案,但問題是器件成本都極其高昂也難以量產。

而使用半導體激光器的方案,則在成本、量產、符合車規(guī)等方面相比Blackmore、Strobe等有明顯的優(yōu)勢。相應地,則需要解決激光的相干性、調制線性度、調制速度、帶寬等面臨的綜合難題。幸運的是,半導體激光器方案已經被證明是可行的,下面的頻譜圖和實景圖就是使用低成本半導體激光器方案的FMCW激光雷達所采集的數據。

圖6:距FMCW激光雷達50米遠的建筑物信號頻譜圖

圖7:基于半導體激光器的FMCW激光雷達成像實景圖

最后總結,FMCW激光雷達若要獲得市場的認可,其中的激光器必須要在調頻速度、調頻范圍、線性度、激光相干性、滿足車規(guī),以及能夠低成本量產等多方面取得進展。雖然道路是艱辛的,相信FMCW激光雷達前景是光明的!
微迷網

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