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调频连续波激光雷达技术的前景及面临的难题

2020-01-16 17:22 次阅读

本文试图从国外汽车制造商及Tier 1供应商的投资逻辑,从毫米波雷达的历史来分析一下调频连续波(FMCW)激光雷达的技术前景以及其中的量产难点。

FMCW激光雷达被称为激光雷达领域皇冠上的明珠,相较于脉冲式激光雷达有着明显的性能优势,主要体现在以下几个方面:

1. 抗太阳光和其它激光的干扰,保证传感器的安全可靠;

2. 多普勒效应单像素实时测速,提供4D信息,有助于目标分类;

3. 更高的灵敏度和动态范围(>60dB);

4. 适合硅光子和相控阵(OPA)技术低成本批量生产。

FMCW激光雷达的门槛高、发展晚,不为大多数人所知。全世界能做脉冲式激光雷达的少说有上百家,但能做FMCW激光雷达的寥寥无几。正所谓外行看热闹,内行看门道,只有懂FMCW的人才能欣赏它。看看最近的几个案例:2017年通用Cruise收购Strobe;2018年宝马、丰田投资Blackmore;还有2019年5月24日Aurora收购Blackmore。

全世界的激光雷达厂商那么多,为何Cruise、宝马、丰田、Aurora都对FMCW青睐有加?财大气粗也罢,押宝赛道也罢,人家真的是钱多人傻吗?NO。看看遍地开花的毫米波雷达就知道了,几乎全是基于FMCW原理。所以,应该是他们的投资策略高瞻远瞩。据传闻,Intel正在研发基于硅光子的FMCW激光雷达,苹果和Waymo也在评估和寻求进入FMCW激光雷达领域。

铺垫完毕,接下来我们借“Aurora全资收购Blackmore”的新闻,来扒一下几家美国FMCW激光雷达公司背后的核心技术。

FMCW激光雷达有几大组成部分(参考图1):1)线性调频窄线宽激光;2)MZI干涉仪;3)光束扫描机构;4)平衡光电探测器;5)数字信号处理。这里每一个模块相较于脉冲式激光雷达都更有难度,但其中最考验厂家功力的是线性调频窄线宽激光器,而这也正是Blackmore和Strobe有着多年积累的看家本领了。

调频连续波激光雷达技术的前景及面临的难题

图1:FMCW激光雷达框架示意图

首先看看Blackmore。它是由位于美国蒙大拿(Montana)的Bridger Photonics成立的子公司,因此Blackmore的FMCW技术来自于其母公司。他们早在十年前就开始研发线性调频激光测距技术了,图2来自他们十年前发表的论文。具体的调频涉及电机驱动、PZT压电陶瓷驱动和电流驱动。熟悉光栅反射外腔调谐激光器的朋友们马上会想到New Focus velocity系列激光器——它就是采用电机带动光栅旋转实现低速大范围调频,加上PZT压电陶瓷高速偏转高速小范围调频,以及通过半导体激光器的电流驱动实现更高速度的小范围调频。

图2:利用自差拍技术实现宽带激光调频线性化的实验装置

图3和表1摘自Blackmore母公司Bridger Photonics于2015年申请的一篇专利(US20150071315A1),进一步证实了上述猜测。该专利中也列出了几种激光器选项:Thorlabs的PICO-D鈩�激光器、Luna Technologies的Phoenix 1000鈩�激光器,以及Advanced Semiconductor lasers家的未知型号激光器。在这三家激光器中,PICO-D恰好是使用外置光栅调频的外腔激光器(参见图4),与Brdger Photonics论文和专利中描述的通过三个不同调频机制实现反馈调节的描述一致。

如果Blackmore在当前的产品中依然在使用该类型激光器,以及专利中描述的激光调频线性化方案,那么可以认为其激光雷达不可能满足量产车规的要求。为什么呢?首先,这款激光器的成本大于2万美元,并且其使用的光栅外腔结构体积大,在汽车振动环境中也很难保持稳定性和可靠性。而在图2和图3中,他们所使用的激光调频线性化方案,使用了成本、功耗和体积都很高的AOM声光调制器,这些都显著增加激光系统的成本和体积,使其几乎不可能满足量产自动驾驶汽车的要求。还有一个问题是,依据上述专利中的描述,激光扫频范围约为50GHz,而表1中激光扫频速率为5THz/s,也就是说需要10ms的扫描时间。这很难满足采样速度、帧率和FMCW实时测速的要求。当然这是几年前的信息,他们是否已经找到其它替代的激光器暂不得而知。或许过一段时间,Aurora会发现其中的端倪。

图3:Bridge Photonics线性调频激光实现方案

表1:Brdige Photonics专利中列举的几种可能使用的种子激光源

图4:Thorlabs PICO-D鈩�激光器及其结构示意图

话说回来,使用这种大范围(几十到上百纳米)扫频激光器可以测量物体的绝对长度,并且达到接近微米级别的测量精度,这在工业高精度测量中大有用武之地,这大概是为什么德国ZEISS今年年初投资了美国FMCW激光雷达公司——Bridger Photonics的原因吧。

其实Blackmore在激光器上所面临的问题,Cruise或许已经经历了。2017年10月,通用汽车旗下子公司Cruise收购了FMCW激光雷达公司——Strobe。Strobe的技术来源于其母公司OEwaves,核心调频激光器示意图见图5(来源:专利US8605760)。该激光器通过注入式锁频锁定在WGM谐振器的谐振频率上,通过物理方法例如电光效应或压电形变,可以高速改变谐振器频率牵引激光频率。该激光器体积小,可以实现高速线性调频,刚好满足FMCW激光雷达对激光器的需求。该外腔激光器同样面临着生产复杂、高成本、低可靠性等问题。

图5:Strobe线性调频激光(US8605760)

自2017年收购以后,关于Strobe激光雷达的新闻几乎没有,并且从Cruise依然在使用Velodyne脉冲式激光雷达也可看出Strobe激光雷达可能在可靠性和量产方面依然面临诸多问题。

另外,从当今汽车毫米波雷达领域观察,FMCW技术占据了绝对主导地位,可以预见FMCW激光雷达未来极具潜力,也难怪通用宝马丰田Aurora在众多激光雷达厂商中相中了还处于发展早期的FMCW激光雷达公司。而FMCW激光雷达最核心的线性调频激光器依然是制约其发展的瓶颈。熟悉毫米波雷达技术发展史的人应该知道,早在上世纪八九十年代,FMCW毫米波雷达同样面临着如何解决VCO线性调频的难题。如果对比一下激光器和微波振荡器,以及激光雷达和毫米波雷达,可以发现两大领域的发展是一脉相承的,只是相隔一二十年。

线性调频激光器技术不局限于本文描述的外腔调谐激光方案,其它方案还包括使用单频激光加单边调制器、基于半导体激光线性化调频方案等。国内有科研院所使用过光纤激光器加单边调制加光放大器的方案,但问题是器件成本都极其高昂也难以量产。

而使用半导体激光器的方案,则在成本、量产、符合车规等方面相比Blackmore、Strobe等有明显的优势。相应地,则需要解决激光的相干性、调制线性度、调制速度、带宽等面临的综合难题。幸运的是,半导体激光器方案已经被证明是可行的,下面的频谱图和实景图就是使用低成本半导体激光器方案的FMCW激光雷达所采集的数据。

图6:距FMCW激光雷达50米远的建筑物信号频谱图

图7:基于半导体激光器的FMCW激光雷达成像实景图

最后总结,FMCW激光雷达若要获得市场的认可,其中的激光器必须要在调频速度、调频范围、线性度、激光相干性、满足车规,以及能够低成本量产等多方面取得进展。虽然道路是艰辛的,相信FMCW激光雷达前景是光明的!
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