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激光雷达技术不断革新,新技术能降低使用成本

五度易链 2019-05-13 1605 0

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激光雷达的使用原理是使用非接触激光测距技术,和我们了解的雷达系统相似,激光雷达能够使用激光光束探测目标物,通过返回的光速获得数据,并使用数据生成三维的立体图像。激光雷达技术能够用于获得一定距离内的精确的物体信息,在实际应用中,该项技术能够作为汽车自动驾驶、无人驾驶、定位导航、空间测绘、安保安防中重要的装备设置。


激光雷达的使用原理是使用非接触激光测距技术,和我们了解的雷达系统相似,激光雷达能够使用激光光束探测目标物,通过返回的光速获得数据,并使用数据生成三维的立体图像。激光雷达技术能够用于获得一定距离内的精确的物体信息,在实际应用中,该项技术能够作为汽车自动驾驶、无人驾驶、定位导航、空间测绘、安保安防中重要的装备设置。

激光雷达的分类

从技术原理来看,激光雷达的类型主要有两种:

旋转式激光雷达:通过多束激光竖列而排,绕轴进行360°旋转,每一束激光扫描一个平面,纵向叠加后呈现出三维立体图形。多线束激光雷达可分为16线、32线、64线,线束越高,可扫描的平面越多,获取目标的信息也就越详细,线束低的激光雷达由于点云密度较低,容易带来分辨率不高的问题;

固态激光雷达:摒弃了原有的机械扫描方式,采用相控阵原理,有许多个固定的细小光束组层,通过每个阵元点产生光束的相位与幅度,以此强化光束在指定方向上的强度,并压抑其他方向的强度,从而实现让光束的方向发生改变。

由于固态式激光雷达,不具备旋转组件,这在一定程度降低了硬件成本和磨损消耗,且在个别光束阵元损坏的前提下,固态式激光雷达整体仍可持续工作,在可靠性上实现了大大提升。

不同类型激光雷达技术路线

按照光束操纵方式分类,激光雷达主要分为机械式激光雷达、MEMS激光雷达、OPA激光雷达和Flash激光雷达。观察目前产业发展情况,MEMS和Flash技术更受到激光雷达厂商的青睐,有望逐步取代机械式激光雷达。

MEMS微镜作为MEMS激光雷达的核心元器件,毫米级尺寸大大减少了激光雷达的体积,帮助系统摆脱了笨重的马达等机械式装置;同时,MEMS微镜的引入大大减少激光器和探测器数量,极大地降低整体成本;在投影显示领域商用化应用多年的经历及近期在汽车领域的努力,让业界对MEMS微镜的成熟度更为认可。但是,MEMS微镜尺寸的缩小又限制了MEMS激光雷达的光学口径、扫描角度,视场角也会变小;如何通过车规也是MEMS微镜面临的巨大挑战。

OPA激光雷达无需任何机械部件就可以实现对光束的操纵,曾一度被业界看好。但核心元器件——OPA芯片的纳米加工难度非常高。以Quanergy为代表的OPA激光雷达厂商不断修正其产品的量产时间和最远测距范围。

Flash激光雷达被视为最终的主流技术路线。Flash激光雷达技术利用激光器同时照亮整个场景,如何提高接收端每个像素可接收的能量,从而实现远距离探测,这对线阵/面阵探测器技术提出了极高要求。

新型MEMS光束操纵技术有望降低成本

近年来,通过利用MEMS微镜和光栅缩小了光束操纵系统的尺寸,从而显著降低了成本和重量。然而,这些激光雷达系统的组件(如激光器、扫描装置、探测器及其它电子器件)仍然是独立制造的,并且组装成本较高。因此,进一步的多组件集成小型化有潜力以低成本提供更小、更轻、功耗更低的激光雷达系统。

集成光子学,尤其是硅光子学,可以通过电气处理和控制、光束操纵和光学信号处理器件、光源及探测器的高密度集成来应对这些挑战。这使得集成光子系统不仅在尺寸和重量方面优于自由空间光学系统,而且在成本、集成密度和鲁棒性方面也优于自由空间光学系统。

集成光子学的光束操纵方案主要集中在光学相控阵。光学相控阵由发射器阵列(通常为光栅耦合器)组成,使远场衍射图案高度依赖于发射波的相对相位。通过使用波导移相器调谐这些波的相对相位,调整输出光束的角度。这种系统可以非常严格地控制光束的形状和方向,之前的研究工作已经展示了1D光束操纵、超高角度光束分辨率2D操纵和激光雷达测量。不过,常用的热光移相器具有一个很重要的缺陷:功耗非常高。

据Carlos Errando-Herranz介绍,其研究团队首次利用MEMS可调谐波导光栅在实验中成功演示了低功率光束操纵技术。研究结果显示,在1550 nm波长,驱动电压低于20 V,静态功耗低于uW的条件下,光束转向可达5.6°。

相关研究人员表示,使用新开发的光束操纵技术,能够在现在激光发展的基础上降低使用成本,进而扩展现在的激光雷达使用领域,还能够在用于体内医学成像使用,和使用空分复用(SDM)提高光通信带宽功能。


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