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激光雷达光源 — FMCW/高频脉冲激光

Astroys Astroys 2022-04-26

FMCW

FMCW涉及到在连续照明的激光改变透射光的波长时探测光波。与无线电波一样,雷达的工作原理也与此类似。
使用FMCW激光器的开发商包括:Aeva、Analog Photonics、Argo AI(Princeton Lightwave)、Aurora(Blackmore)、Baraja、Insight LiDAR、OURS Technology、Psionic、SiLC、Waymo。

技术优点

  • 以直接测量场景中每个像素的光和目标物体的速度,从理论上讲,可以提高探测距离和分辨率,并降低处理要求。

  • 不太容易受到环境光的干扰和其他激光雷达的干扰。

  • 能比ToF激光雷达更灵敏,因此FMCW在接收器中需要使用成本更低的PIN二极管,并且在发射器中集成单个激光二极管,从而可以将其集成到单个ASIC中。


与使用PLD的ToF不同,FMCW启用多普勒效应并可以直接测量其他物体的速度。据称,FMCW具有更高的灵敏度,可以在更长的范围内检测到较暗、反射率较低的物体。它也更不受其他光源(包括太阳光)的“噪声”或背景光子的影响。它还具有更大的带宽,可为激光雷达提供更好的距离分辨率,因此可以在接收器中使用更简单的PIN二极管。
Strobe(后来被通用Cruise收购)一直在开发FMCW激光雷达。但在疫情期间成本削减的需要,去年5月关闭了加州的工厂。它开发了所谓的“回音壁模式”光学谐振器,该谐振器减小了激光线宽并产生了更清晰的信号。CTO Lute Maleki说:“我们要做的是得到微谐振器,并将其与半导体激光器相结合,这只是沙粒的大小,本质上讲,从中可得到更高的质量,比那些更大的激光系统所能获得的激光更强。”最终的FMCW激光雷达仅需要一台激光器和一台检测器,因此可以集成发射器。
2020年7月,Aurora将其自动驾驶汽车上部署的FirstLight传感器进行了更新,重申了这一优势。大部分FMCW激光雷达技术早先由Blackmore开发(被Aurora收购)。它说:“最后,因为FMCW激光雷达比传统的AM(ToF)脉冲激光雷达使用更少的光峰值功率,因此许多FMCW激光雷达的光子组件可以在单个芯片上生产。这些芯片可以低成本的方式大量生产,并且可以使用自动化软件轻松进行校准。
技术缺点
  • 它只能直接测量与传感器平行运动的物体的速度,不能检测垂直运动的物体。

  • ToF激光雷达可以通过比较不同帧之间的运动来测量目标的速度,因此FMCW不能提供比ToF更大的实际优势。高分辨率可以使目标对象在ToF中分离。

  • ToF激光雷达也可以防止欺骗,通过在激光脉冲中发出一个独特的代码给传感器,并用其他传感器的代码过滤掉信号。

  • FMCW激光比ToF更容易受到旁瓣的影响,从而导致干扰。

  • 可变频率调制的速度不如ToF激光器的脉冲速率快。

  • FMCW无法在水平和垂直扫描之间并行执行测量。

  • 使用光纤激光器的成本很高,特别是光束更准直的低相位噪声激光器。

  • 由于使用了激光,因此对光学的要求更高,导致更高的光学成本。

  • AEye声称,ADC(模数转换器)的转换速率比ToF高出2-4倍,并且需要FPGA来执行非常高速的FFT(快速傅立叶变换)转换。

  • 有限的接收器光电二极管选项。

  • 在雷达之外的汽车领域缺乏FMCW经验,并且缺乏技术成熟度。


FMCW激光雷达无法检测到垂直于本车方向快速移动的物体。一些开发者声称FMCW技术尚未准备好用于高分辨率激光雷达,该技术需要进一步开发和成熟才能被考虑。
但根据法雷奥的说法,检测不足本身并不是FMCW的原因,实际上是由于缺乏channel造成的。
连续照明的激光还具有潜在的人眼安全问题,以及过多的功耗和更高的热管理要求(需要主动冷却系统)。
ToF激光雷达通过发出只有其接收器才能识别的独特脉冲模式,就可以防止其他传感器的欺骗。Pioneer以音频设备制造商的经验,使用独特的数字处理技术来克服干扰问题。
其他问题还包括密集的数据处理,以过滤出由FMCW激光器引起的干扰,并且需要在接收器进行光学混合。
ToF激光雷达可以通过使用接收器中的SiPM和SPAD使其与FMCW的SiPM和SPAD相匹配,实现对低反射率低暗物体的远程检测。他们还可以通过比较帧之间物体的位置来执行速度测量。
AEye公司表示,FMCW激光雷达无法实现1公里的工作距离和4M PPS、0.025°的分辨率,如果不使用大量的激光和光学设备,以及ADC转换速率比ToF高2-4倍的电子设备。当存在高对比度对象时,FMCW在时域/波形域中受到挑战。由于使用了激光,FMCW必须依靠基于窗口的旁瓣抑制来解决自干扰问题。

高频脉冲激光

高频脉冲激光可用于提高检测可靠性,从而在ADAS/AV应用中实现响应能力。它还使激光雷达不太容易被其他传感器欺骗,提高了光输出功率,增加了探测距离并提高了人眼安全性。
但是要提高PPS性能,就必须在提高分辨率性能方面进行权衡,但要面临功耗和串扰的增加,这将使传感器模块变大,也没那么准确和可靠了。目前典型的脉冲频率约为20-30Hz(或fps)。
AEye公司的MEMS微镜扫描4Sight激光雷达采用1550 nm激光,脉冲频率为100Hz。
Cepton的Vista SORA MMT激光雷达的脉冲频率为380Hz。
Fastree3D的Flash激光雷达的脉冲频率为1MHz,并配备了SPAD和专有的边缘计算AI技术,能够以10GBPS的速度进行处理并生成场景的QQVGA显示。目前正在接受博世和Veoneer的评估。
欧司朗每5纳秒(而不是20纳秒)以850nm激光脉冲支持Vergence Automation。通过逐帧比较,该Flash激光雷达可以执行物体的速度测量。
Xenomatix的(可能的)FPA激光雷达的帧频为60Hz。




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