本文作者：Ivan Nikitskiy（歐洲光子學產(chan) 業(ye) 聯盟）

fun88网页下载 編譯

微電子和傳(chuan) 感器，尤其是激光雷達傳(chuan) 感器在自動駕駛和自動駕駛汽車領域發揮著關(guan) 鍵作用。這些技術的市場潛力巨大，人們(men) 不由猜想：未來兩(liang) 年內(nei) ，汽車激光雷達市場的規模將翻一番。

安全是汽車行業(ye) 最為(wei) 關(guan) 心的問題，因此必須為(wei) 高級駕駛員輔助係統和自動駕駛車輛部署高價(jia) 值和高性能激光雷達係統。為(wei) 此，現有的挑戰圍繞著激光雷達傳(chuan) 感器設備的巨大尺寸、重量和功耗。鑒於(yu) 車輛平台內(nei) 的這些限製，迫切需要進一步實現激光雷達係統的小型化，同時提高其功能和資源效率。雖然當前的激光雷達係統通常安裝在車輛外部，但其目標是將這些設備無縫集成到車身部分，如保險杠、格柵或車外燈。

自2020年以來，汽車供應商Marelli與(yu) 15個(ge) 合作夥(huo) 伴共同參與(yu) 了歐盟1000萬(wan) 歐元的TINKER項目，該項目旨在創建一種價(jia) 格合理且資源高效的方法，使用納米壓印光刻方法生產(chan) 雷達和激光傳(chuan) 感器封裝。Marelli對TINKER的貢獻是將緊湊型激光雷達係統集成到車輛的活動空間。例如，傳(chuan) 感器布置必須提供全麵的水平和垂直視野（FOV），並盡量減少盲點。此外，它必須最大限度地覆蓋周圍環境，並考慮到汽車後視鏡、玻璃窗和薄柱子的任何複雜遮擋。其他工程挑戰包括最小化成本、形狀因素以及天氣和環境條件對激光雷達性能的影響；工程師還必須平衡距離、精度和分辨率，並將激光雷達與(yu) 其他傳(chuan) 感器和實時數據處理進行校準和同步。

Marelli的智能角落解決(jue) 方案，用於(yu) 在汽車前照燈中放置集成激光雷達。（由Marelli提供）

關(guan) 於(yu) 在汽車上的位置，在未來十年內(nei) ，標普全球/IHS Markit激光雷達數據庫的2023年數據顯示，汽車的中前部和前角明顯受到青睞。與(yu) 安裝在車頂或擋風玻璃上的係統相比，前角解決(jue) 方案具有幾個(ge) 優(you) 點。這在一定程度上是因為(wei) 有足夠的空間容納更多的激光雷達傳(chuan) 感器，標普預測到2035年，激光雷達傳(chuan) 感器的數量將從(cong) 24個(ge) 增加到35個(ge) 。前角位置還提供了更好的FOV調平選項，最大限度地減少暴露在外部條件下，優(you) 化美學集成，並結合了清潔、加熱和布線係統。

因此，Marelli開發了智能角落解決(jue) 方案，其中前照燈、尾燈和車輛前格柵包含麵板，作為(wei) 傳(chuan) 感器、雷達和激光雷達攝像頭以及照明設備的主機。該係統可以更早地識別物體(ti) ，並提供比以往任何時候都大的視角。

設計和仿真

要開始構建集成激光雷達係統，必須首先考慮具體(ti) 的設計，然後對其進行模擬。25年來，總部位於(yu) 柏林的VPIphotonics已成為(wei) 光子設計和分析集成和互操作模擬軟件工具的市場領導者。這些工具包括VPI transmission Maker光學係統和VPI component Maker光子電路，它們(men) 支持分層設計架構。這些工具經過設計，可以無縫地一起使用。

VPI transmission Maker光學係統是數據通信和電信行業(ye) 的支柱，在應用於(yu) 激光雷達技術時顯示出顯著的相似性，部分原因是最近對自由空間光通信的支持進行了升級。新增強的自由空間光通道模型支持大氣條件建模，包括天氣、海拔、風速等。

VPI component Maker光子電路工具適用於(yu) 激光雷達應用中光子集成電路（PIC）的更詳細物理級建模。該工具包括無源和有源元件的模型，例如分布式反饋或分布式布拉格反射激光器和光學相控陣。這些組件可以在PIC內(nei) 互連，以實現使用環形諧振腔部分進行調諧的廣泛可調諧混合III-V/矽激光器的功能。該軟件允許組合不同的材料平台來設計和模擬PIC，便於(yu) 在實際製造過程開始之前進行靈敏度分析，以調查製造公差。

盡管外觀簡單，但Ommatidia的高分辨率3D激光雷達相機是基於(yu) 一個(ge) 由數十萬(wan) 個(ge) 類似昆蟲眼睛的小眼類感光細胞組成的傳(chuan) 感器。（由Ommatidia提供）

用於(yu) 調頻連續波（FMCW）激光雷達係統的DeepLight混合集成激光器基於(yu) 氮化矽和MEMS驅動器。（由DeepLight提供）

例如，對於(yu) 調頻連續波（FMCW）激光雷達的係統級模擬，該軟件可以使用簡單的三角波形調頻激光器對發射機進行建模。然後將信號分為(wei) 探測信號和參考信號。探測信號通過循環器和自由空間光通道模型傳(chuan) 輸，從(cong) 而能夠分析各種大氣條件對信號衰減的影響。此外，如果目標正在移動，則可以考慮多普勒頻移。然後，信號通過光通道和循環器反射回來，在那裏它與(yu) 參考信號合並以進行平衡光電檢測。這一過程允許對距離和速度測量性能的不同損傷(shang) 進行係統研究。

激光雷達結構

西班牙的Ommatidia lidar提供了一個(ge) 集成激光雷達架構的有趣示例。其目的是解決(jue) 現有激光雷達結構的一個(ge) 基本性能限製，即它們(men) 將光發射限製為(wei) 短脈衝(chong) 或將光子集中在特定方向。這會(hui) 限製可用於(yu) 返回信號的光子數量，從(cong) 而限製範圍和分辨率。

為(wei) 了解決(jue) 這些問題，Ommatidia開發了遠程、高分辨率3D激光雷達相機，該相機基於(yu) 由數十萬(wan) 個(ge) 類似小昆蟲眼睛的感光細胞組成的傳(chuan) 感器。該設計能夠發射和檢測更多的光子，以及前所未有的範圍和分辨率。這種新穎的仿生靈感構建允許使用整個(ge) 場景的連續寬幅照明，並首次在3D成像中安全使用高功率照明。

Ommatidia的激光雷達方案基於(yu) FMCW激光雷達係統，該係統通過將低功率采樣信號與(yu) 高功率本地振蕩器信號混合放大來提供相幹和平衡檢測。這提供了單光子靈敏度、有限的散粒噪聲和高距離精度。此外，僅(jin) 混合共享相同頻率調製的信號可確保對太陽輻射幹擾的免疫力，而振幅和相位檢測則通過光學混頻器進行。

Ommatidia的Q1相機有128個(ge) 平行通道，可以在高達50米的高度提供計量級測量。該設備包括成像測振功能，可以以非接觸方式顯示結構的動態，而無需昂貴的儀(yi) 器。該係統設計用於(yu) 室內(nei) 和室外的現場使用，具有IP54防護和堅固的組件。下一步是通過解決(jue) 其可擴展性，將該技術引入新市場。

激光源需要考慮的事項

激光雷達的激光源是一種快速發展的組件技術。例如，瑞士初創公司DeepLight正在開發混合集成激光器，該激光器利用氮化矽和MEMS驅動器，用於(yu) 基於(yu) 相幹檢測的汽車FMCW激光雷達係統。該方法使係統能夠以高靈敏度測量物體(ti) 速度，並且在大於(yu) 200米的長距離範圍內(nei) 幹擾最小。

然而，該技術需要窄線寬激光器和高啁啾線性度，這是一個(ge) 主要缺點。作為(wei) 回應，DeepLight正在基於(yu) 超低損耗氮化矽平台開發更易於(yu) 控製的高性能激光器。

VIAVI解決(jue) 方案用於(yu) 激光雷達係統的氫化矽（Si:H）濾波器的示意圖。（由VIAVI Solutions提供）

該解決(jue) 方案基於(yu) 三種技術。第一種是多波長半導體(ti) 激光器的混合集成，其中包括由直接帶隙III-V化合物製成的增益元件。其次，為(wei) 了實現比光纖激光器低10倍的噪聲，DeepLight正在利用超低損耗氮化矽來提高激光器的光譜純度。第三個(ge) 組成部分是基於(yu) MEMS的致動器的使用，該公司將其與(yu) 氮化矽單片集成，以實現數十兆赫範圍內(nei) 的致動範圍。

使用這三種技術模塊，DeepLight為(wei) 其係統探索了三種不同的激光架構：分布式反饋/法布裏-珀羅二極管的自注入鎖定；擴展分布式布拉格反射激光器；以及外腔激光器。

DeepLight原型的性能看起來令人印象深刻。其中一個(ge) 在高達100 kHz的掃描速率下表現出0.1%的均方根非線性，沒有任何線性化或失真，這是時間分辨外差拍頻測量的理想選擇。憑借這一性能水平，DeepLight的技術非常適合用於(yu) 激光雷達和其他廣泛的應用。

激光雷達光學濾波器

光學濾波器是大多數集成激光雷達係統的另一個(ge) 重要組件。光學濾波器可以阻擋因光線條件變化或迎麵而來的前照燈反射而產(chan) 生的不需要的信息。這種情況會(hui) 影響激光雷達準確檢測和測量周圍物體(ti) 的能力，這使得光學濾波器對於(yu) 確保係統隻從(cong) 所需波長的光中收集正確的數據至關(guan) 重要。

光學濾波器必須在各種變化的光照條件下可靠工作，雖然濾波器可能是激光雷達係統中最便宜的部件，但其設計和性能對傳(chuan) 感器性能有很大影響。許多為(wei) 激光雷達應用設計的濾波器基於(yu) 交替的低折射率層和高折射率層，以產(chan) 生幹擾並適當濾光。

軟件開發人員Outsight的3D激光雷達數據處理解決(jue) 方案可以跟蹤人或車輛，以分析模式，並在達到特定閾值時向最終用戶發出警報；它可以檢測到特定位置的產(chan) 能過剩、交通瓶頸，甚至容易發生近距離事故的十字路口。（由Outsight提供）

VIAVI Solutions是美國領先的激光雷達開發商濾光器供應商，其產(chan) 品組合中采用了氫化矽（Si:H）製造的產(chan) 品。

當用作高折射率材料時，Si:H有兩(liang) 個(ge) 主要優(you) 點。首先，它的高折射率支持低成本係統。其次，與(yu) 用傳(chuan) 統材料構造的帶通濾波器相比，那些利用Si:H的濾波器可以減少光線在增加入射角時的藍移。此功能增加了可用帶寬，從(cong) 而減少了總體(ti) 所需的帶寬。

隨著激光雷達行業(ye) 引入第二代產(chan) 品，其成本和性能變得更加重要。因此，需要窄帶寬係統在不顯著增加成本的情況下提供更好的信噪比。因此，VIAVI正在研究新的概念，以提高其光學濾波器的製造公差。如果成功，該公司可以將激光雷達係統所需的濾波器帶寬減少多達60%，同時提高傳(chuan) 感器性能並保持可管理的成本。

其他應用領域

盡管激光雷達在過去10年中主要專(zhuan) 注於(yu) 汽車平台，但該技術已開始在汽車以外的應用領域釋放巨大機遇。其中包括監控人群或交通模式，以提高這些人口密集環境的安全保障。

Outsight成立於(yu) 2019年，總部位於(yu) 巴黎，為(wei) 這一領域提供3D激光雷達處理軟件。例如，在機場航站樓或火車站，該技術可以使用唯一的ID跟蹤每個(ge) 人及其行李。當達到特定閾值時，例如某個(ge) 位置的產(chan) 能過剩或等待時間超過可接受的最大值時，該解決(jue) 方案會(hui) 向這些設施的管理者發出警報。該軟件可以進一步分析長時間（有時是數月甚至數年）發生的模式數據。這項技術可以應用於(yu) 終端用戶需要了解人或車輛如何移動或相互作用的模式的任何位置。例如，可以對道路交叉口進行監控，以檢測未遂事故，提醒城市管理人員可能需要製定加強的事故預防措施。

對於(yu) Outsight，大規模監控激光雷達係統的兩(liang) 個(ge) 主要需求驅動因素是，與(yu) 相機相比，該技術的成本越來越低，性能越來越高。例如，在機場環境中，四個(ge) 360°視場的激光雷達係統可以提供比30個(ge) 攝像頭更多的數據和更大的覆蓋範圍。選擇激光雷達的類型、範圍和覆蓋範圍取決(jue) 於(yu) 應用程序的需求以及客戶的預算。

確定最佳配置可能很複雜。作為(wei) 回應，Outsight開發了一款3D激光雷達模擬器，該模擬器考慮了應用需求以及每個(ge) 傳(chuan) 感器的特定功能和特點。該解決(jue) 方案可以幫助確定激光雷達型號和製造商的最佳組合，以及如何最佳定位它們(men) 。

另一個(ge) 複雜的領域是如何將係統產(chan) 生的大量原始數據轉換為(wei) 可操作的智能。Outsight的解決(jue) 方案是實時計算關(guan) 鍵性能指標，這些指標可以直接顯示在儀(yi) 表板或任何與(yu) API連接的係統中，該公司製造的係統與(yu) 95%的現有激光雷達品牌和型號兼容。

結論

由於(yu) 在更集成的係統、更好的模擬工具以及不斷改進的激光源和濾光器方麵取得了突破，汽車應用的集成激光雷達技術在性能和成本方麵不斷發展。從(cong) 更緊湊的係統到受生物啟發的傳(chuan) 感器架構，激光雷達的發展展現了技術進步的融合，有望重塑汽車和其他行業(ye) 。而且，隨著激光雷達的創新不斷展開，它的提升將為(wei) 未來鋪平道路，在未來，精確高效的環境傳(chuan) 感將成為(wei) 各個(ge) 領域不可或缺的一部分。