11月18日,ADI公司今天宣布收购美国科罗拉多州戈尔登市Vescent Photonics公司的固态激光波束转向技术。Vescent的非机械激光波束转向技术新颖,可以进一步增强集成激光雷达系统的性能,克服目前庞大的机械式产品在可靠性、尺寸和成本等方面的诸多重大缺陷。ADI拥有20年的汽车安全技术研发经验,收购波束转向技术一举巩固了其在汽车安全系统技术领域的重要地位,更有利于研发下一代ADAS和自动驾驶应用。

ADI 汽车安全部门总经理 Chris Jacobs 表示:“从安全气囊和电子稳定控制应用中的惯性MEMS传感器,到24GHz和77GHz的汽车雷达,过去二十年,ADI的各类解决方案挽救了众多生命。现在,拥有这项创新技术,对于打造更紧凑、稳健的激光雷达系统,以及在全球所有新款车型中配备该项经济实用的安全功能将起到重要作用。”

目前,ADAS系统必须依靠摄像头、毫米波雷达和激光雷达等一系列传感器技术,才能有效提供前向防撞预警、盲点监测、行人检测和自动驾驶等功能。摄像头广泛用于目标识别,毫米波雷达系统采用射频电磁波测距。激光雷达使用激光波束测距,同时也可以识别对象。扫描式激光雷达系统可检测道路上或附近的目标,并可覆盖毫米波雷达系统和摄像头的盲点区域。

详解激光雷达

此前频频“出事”的特斯拉让不少人对使用激光雷达的自动驾驶产生了顾虑,这其中到底有哪些技术尚不成熟,解法又是什么?

激光本身具有非常精确的测距能力,其测距精度可达几个厘米,而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素,还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展,通过LIDAR从移动平台上(如在飞机上)获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。

LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲,打在物体上并反射回来,最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播,所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的,传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度,激光扫描角度,从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向,就可以准确地计算出每一个地面光斑的坐标X,Y,Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言,一个频率为每秒一万次脉冲的系统,接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言,LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。

激光雷达优势在哪?

与普通微波雷达相比,激光雷达由于使用的是激光束,工作频率较微波高了许多,因此带来了很多特点,主要有:

分辨率高。激光雷达可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1mard也就是说可以分辨3km距离上相距0.3m的两个目标(这是微波雷达无论如何也办不到的),并可同时跟踪多个目标;距离分辨率可达0.lm;速度分辨率能达到10m/s以内。距离和速度分辨率高,意味着可以利用距离--多谱勒成像技术来获得目标的清晰图像。分辨率高,是激光雷达的最显著的优点,其多数应用都是基于此。

隐蔽性好、抗有源干扰能力强。激光直线传播、方向性好、光束非常窄,只有在其传播路径上才能接收到,因此敌方截获非常困难,且激光雷达的发射系统(发射望远镜)口径很小,可接收区域窄,有意发射的激光干扰信号进入接收机的概率极低;另外,与微波雷达易受自然界广泛存在的电磁波影响的情况不同,自然界中能对激光雷达起干扰作用的信号源不多,因此激光雷达抗有源干扰的能力很强,适于工作在日益复杂和激烈的信息战环境中。

低空探测性能好。微波雷达由于存在各种地物回波的影响,低空存在有一定区域的盲区(无法探测的区域)。而对于激光雷达来说,只有被照射的目标才会产生反射,完全不存在地物回波的影响,因此可以"零高度"工作,低空探测性能较微波雷达强了许多。

体积小、质量轻。通常普通微波雷达的体积庞大,整套系统质量数以吨记,光天线口径就达几米甚至几十米。而激光雷达就要轻便、灵巧得多,发射望远镜的口径一般只有厘米级,整套系统的质量最小的只有几十公斤,架设、拆收都很简便。而且激光雷达的结构相对简单,维修方便,操纵容易,价格也较低。

激光雷达还有哪些弊端?

工作时受天气和大气影响大。激光一般在晴朗的天气里衰减较小,传播距离较远。而在大雨、浓烟、浓雾等坏天气里,衰减急剧加大,传播距离大受影响。如工作波长为10.6μm的co2激光,是所有激光中大气传输性能较好的,在坏天气的衰减是晴天的6倍。地面或低空使用的co2激光雷达的作用距离,晴天为10-20km,而坏天气则降至1km以内。而且,大气环流还会使激光光束发生畸变、抖动,直接影响激光雷达的测量精度。

由于激光雷达的波束极窄,在空间搜索目标非常困难,直接影响对非合作目标的截获概率和探测效率,只能在较小的范围内搜索、捕获目标,因而激光雷达较少单独直接应用于战场进行目标探测和搜索。

此外,由于技术复杂,激光雷达与常见的超声波雷达(如我们车尾装的倒车雷达)相比,其价格非常昂贵。例如谷歌自动驾驶汽车上搭载的Velodyne雷达的售价为7万美元,百度与宝马合作测试的那辆自动驾驶的宝马3系GT顶部安装的Velodyne的售价也为几十万元人民币,高昂的硬件成本也是目前制约自动驾驶汽车发展的一大因素。

接下来就说说研发激光雷达的代表企业:

1、Velodyne

Velodyne是一家硅谷公司。在参加了两届DARPA无人驾驶汽车挑战赛后,2007年开始专注研究激光雷达,用一款Velodyne 64线进入360°高性能激光雷达领域。于是就有了2011年谷歌无人驾驶汽车在湾区测试时,吸引人们目光的“大花盆”。

在今年的CES上,Velodyne 公司借着福特的展台,展示了他们最新的产品:「Solid-StateHybrid Ultra Puck Auto」激光雷达——像冰球一样的小圆饼。他们刚刚拿到福特的订单,为福特供应最新的 Puck Auto。它是 Velodyne 基于第三代自动驾驶平台打造的,可以看作是现款 VLP-16 的升级款,它采用 32 线配备,扫描范围可达 200 米,基本能满足大多数自动驾驶场景所需。

此前Velodyne 有 3 款激光雷达产品,它们可以在机器人、无人机、安防等领域使用,而这次的 Puck Auto「专供」汽车制造商。

因为 Puck Auto 具有「小、轻」的特点,它完全可以整合在后视镜的位置。目前福特 Fusion 在车顶安装了 4 个雷达,使用了 Puck Auto 之后,只需要两个。

2、Ibeo

Ibeo是一家成立于1998年的公司,2000年被传感器制造商Sick AG收购。2000年至2008年研发了激光扫描技术、并且开始了若干自动驾驶项目的尝试。公司和欧洲委员会共同研发了十字路口安全的驾驶辅助产品,在全球范围售卖。2009年公司脱离Sick AG独立,2010年和法雷奥合作开始量产可用于汽车的产品ScaLa。

目前已有的Ibeo全自动驾驶测试车上,常用的多点布局组合是miniLUX和LUX两款产品。

3、Quanergy

Quanergy 是一家成立了三年的公司,在今年的CES上也推出了自己的新产品:S2。号称是世界上第一款固态激光雷达。从外观来看,S3 是个黑色长方体,内部无任何转动机构。它可以放在手上,大小和 Puck Auto 算是打了个平手。它的参数是8 线,探测范围为 10 厘米-150 米。

而它的一个特点就是价格特别便宜,此前报道中,他们的CTO Jeff Owens 说每台成本在 200 美元。在今年CES 上,Quanergy 相关负责人向 GeekCar 透露,如果订货量是一万台,那每部产品成本有望控制在 100 美元以下,但是量产得再等两年。

如此便宜的价格,Quanergy给出的答案是“相控阵激光雷达技术”。抛去传统激光雷达昂贵的旋转部件。用电子扫描代替机械部件,采用集成电路上的小镜子扫描各个方向,然后输出车辆周围的3D图像。创始人Dr.Louay Eldada对具体技术三缄其口,只表示核心技术是自己的博士研究课题。

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