全固態(tài)激光雷達(dá)新配方，奧銳達(dá)推國產(chǎn)單光子面陣技術(shù)方案

量子位的朋友們 2021-06-17 18:30:52 來源：量子位

深圳奧銳達(dá)科技有限公司（下稱“奧銳達(dá)”）正式發(fā)布單光子面陣固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)方案（下稱“方案”）。該方案創(chuàng)新性地融合VCSEL與SPAD技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了分辨率和探測距離的顯著突破，并在功耗、體積等工程化特性上有突出表現(xiàn)。

奧銳達(dá)全固態(tài)激光雷達(dá)樣件Ordarray的實(shí)測Demo視頻也在奧銳達(dá)官網(wǎng)首次亮相。視頻中展示了Ordarray實(shí)時重建百米級范圍內(nèi)的實(shí)時路況點(diǎn)云圖過程。

圖注：奧銳達(dá)全固態(tài)激光雷達(dá)樣件Ordarray

VCSEL+SPAD技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離單光子探測

在全固態(tài)激光雷達(dá)領(lǐng)域，目前主流的技術(shù)路線為包括OPA 光學(xué)相控陣技術(shù)、 Flash 快閃技術(shù)等。其中，OPA 光學(xué)相控陣技術(shù)技術(shù)難度高，成本居高不下；Flash快閃技術(shù)則因其發(fā)射面陣光源的物理特性，能量分散，探測距離則較為受限。

奧銳達(dá)的激光雷達(dá)采用創(chuàng)新性的VCSEL+SPAD技術(shù)方案。其中，多節(jié)可尋址VCSEL（Addressable VCSEL）通過可控的多光束掃描技術(shù)，對外發(fā)射VCSEL 激光器的點(diǎn)陣多光束光源；同時，探測器可以開啟與發(fā)射相對應(yīng)的區(qū)域，接收目標(biāo)反射光；最終通過電子掃描，完成整個視場范圍內(nèi)的激光雷達(dá)點(diǎn)云獲取。

圖注：VCSEL+SPAD的可控多光束掃描技術(shù)圖解

這種可控的多光束掃描光源被稱為可尋址VCSEL（Addressable VCSEL）。相較于Flash方案，可尋址 VCSEL激光器的發(fā)射光峰值功率密度和信號信噪比均顯著提高。這也意味著，在相同的功率下，奧銳達(dá)的激光雷達(dá)方案可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的探測距離。此外，這種掃描方式有助于芯片化和小型化，最大限度地減少了外圍電路的復(fù)雜程度，實(shí)現(xiàn)全固態(tài)掃描。

在接收端，奧銳達(dá)的方案采用了SPAD（Single Photon Avalanche Diode, 即單光子雪崩二極管）陣列傳感器，從而使得激光雷達(dá)具備單光子探測能力，探測靈敏度大幅提升。

實(shí)際探測過程中，奧銳達(dá)的激光雷達(dá)探測系統(tǒng)，可以在亞毫秒/毫秒級的時間段內(nèi)，使用可尋址VCSEL光源打出去成百上千個光脈沖。從目標(biāo)反射回來的激光脈沖信號被對應(yīng)區(qū)域的SPAD像素接收，以一定的概率觸發(fā)像素發(fā)生雪崩事件，完成光子計(jì)數(shù)。最終，系統(tǒng)通過排序累積形成能夠完成接收脈沖信號波形重構(gòu)的直方圖，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的測距。

圖注：智能汽車傳感器示意圖

TCSPC動態(tài)調(diào)整，合理分配系統(tǒng)能力

從技術(shù)角度出發(fā)，發(fā)射+接受脈沖光信號的次數(shù)越多，系統(tǒng)對波形的重建也越準(zhǔn)確，測距能力也越強(qiáng)。但是，累積次數(shù)過多也會導(dǎo)致系統(tǒng)幀頻的下降。

為此，奧銳達(dá)的激光雷達(dá)方案可以通過調(diào)整 TCSPC（Time-Correlated Single Photon Counting，時間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器）次數(shù)動態(tài)，來設(shè)置不同探測區(qū)域的測距性能。

在實(shí)際行車過程中，智能汽車對不同視角、不同環(huán)境下的測距需求是不同的。在需要更多深度信息的區(qū)域，Ordarray可以打上更多脈沖光信號；在邊緣區(qū)域，Ordarray可合理降低信號的發(fā)射與接收頻次，使得系統(tǒng)能力通過動態(tài)調(diào)整得到合理分配。

目前，奧銳達(dá)已經(jīng)完成全套技術(shù)鏈路的驗(yàn)證。基于業(yè)界先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)CMOS半導(dǎo)體工藝制作的可量產(chǎn)的VCSEL激光器，SPAD陣列型傳感器和芯片，奧銳達(dá)的單光子面陣激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)攻克了在較小體積和功耗條件下高幀率的激光發(fā)射、接收、信號處理的各項(xiàng)技術(shù)難關(guān)。

圖注：Ordarray在靜止與行駛狀態(tài)下生成的點(diǎn)云圖。

值得一提的是，基于單光子面陣?yán)走_(dá)的特殊成像模式，Ordarray可同其他激光雷達(dá)、高清攝像頭等高精度傳感器協(xié)同工作，大幅降低旋轉(zhuǎn)和混合固態(tài)式激光雷達(dá)與其它異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)定融合的困難，使得智能汽車處理中樞完成多類傳感器的數(shù)據(jù)前融合。在多傳感器的加持下， Ordarray可以全面提升智能汽車對行人、障礙物和小型物體的檢測能力，從而提升自動駕駛的安全冗余及容錯率。

全固態(tài)模塊化設(shè)計(jì)，更小巧、更靈活、更易裝車

目前，奧銳達(dá)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)大規(guī)模固態(tài)面陣激光雷達(dá)的集成設(shè)計(jì)。Ordarray采用全固態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)身內(nèi)部沒有任何機(jī)械旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部件。這直接降低了車載激光雷達(dá)產(chǎn)品的體積、故障率，全線提升產(chǎn)品可靠性。

Ordarray還采用模塊化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，重構(gòu)了發(fā)射模塊、接收模塊、信息處理模塊等內(nèi)部空間，以適配不同車型對于激光雷達(dá)的探測要求。奧銳達(dá)設(shè)計(jì)了多款接口完全兼容的收發(fā)鏡頭。按照不同的性能需求，只需要更換光學(xué)鏡頭，即可精準(zhǔn)獲取不同視場角及探測范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而大幅降低廠商的適配成本。

圖注：奧銳達(dá)Ordarray的攝像頭可以拆解更換，以適配不同需求

為了解決固態(tài)激光雷達(dá)的量產(chǎn)難題，奧銳達(dá)結(jié)合多年3D視覺類產(chǎn)品大規(guī)模量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，自主研發(fā)機(jī)器視覺自動化裝調(diào)方案，減少繁瑣的人工校準(zhǔn)等程序，從而輕松實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)裝調(diào)，大幅提升激光雷達(dá)的可量產(chǎn)性。

針對固態(tài)激光雷達(dá)，奧銳達(dá)將在今年對技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行兩輪迭代；在推進(jìn)產(chǎn)品研發(fā)的同時，奧銳達(dá)車規(guī)級工廠和產(chǎn)線也提上議程，預(yù)計(jì)到2022年，符合 IATF 16949 標(biāo)準(zhǔn)的車規(guī)級產(chǎn)線將逐步投產(chǎn)。

圖注：奧銳達(dá)通過自動化裝調(diào)方案，提升產(chǎn)品可量產(chǎn)性