LiDAR系统所面临的五大挑战及如何应对

本文探讨了当今LiDAR（激光雷达）系统所面临的五大挑战以及如何应对这些挑战。一旦消除这些障碍，LiDAR将发挥广泛的应用潜力。据麦姆斯咨询报道，LiDAR这项技术已经在许多应用领域取得了相当大的进展，仅举几例：空间测绘、无人驾驶汽车、安防和无人机等。

然而，现如今传统的LiDAR体系架构的发展正面临着五大挑战，使其无法作为一种经济高效的解决方案大规模使用，而此解决方案可提高汽车性能和安全性，解决更多的工业流程问题和应用，并为消费类产品增加新的功能。目前在驾驶试验中使用的LiDAR技术有助于人工智能（AI）系统的训练，但是由于无法满足尺寸、可靠性和成本的要求，暂时还无法在量车汽车中展开部署。正在开发的新型LiDAR系统可以满足广泛生产部署的所有要求，但首先，让我们先来回顾一下需要克服哪些挑战。

当今LiDAR系统面临的五大挑战

这五项挑战意义重大，在它们得到解决之前，LiDAR作为量车汽车中可广泛部署的技术之一，我们只实现了其一小部分的潜力。

1. 尺寸如今多数LiDAR系统都是安装在汽车顶部的一套大型旋转装置，非常显眼。但该技术不符合OEM（原始设备制造商）大众市场部署的尺寸、成本或汽车认证要求。虽然目前有一些尺寸较小的旋转LiDAR装置，通过将多个单元嵌入至汽车的各个区域来扩大应用，但是这些组件仍然太大，有些甚至是通过牺牲性能（分辨率和距离）来减小尺寸。如果继续将复杂的旋转机械部件压缩进更小的封装，或者使用无法进一步减少成本或满足汽车一级资质要求的技术和部件，收效将会逐步减小，这就要求对技术进行根本性的变革。

2. 成本LiDAR的演示通常会在客户中引发一阵高潮，不幸的是，他们后来发现演示模型的制胜功能依赖于昂贵的、非指定的组件，而这些组件却无法满足汽车级认证。主要的成本驱动因素是激光器与光学器件的对准，获得足够的输出功率以满足距离要求，并设法使激光束覆盖所需的视场。目前试验中部署的LiDAR中的多数技术都无法针对大众市场应用降低成本。尽管有人声称产量的增加会降低成本，但是如果不进行重大的设计修订，即使有高产量或设计改进都是不够的。

3. 可靠性现如今的LiDAR系统大多是基于宏观机械或微机电系统（MEMS），具有运动部件的所有缺点，包括有限的可靠性。这些产品需要仔细校准，而且制造成本很高。由于大多数材料不具备在汽车一级温度范围（-40°C至125°C）内工作的条件，所以它们在热应力下的故障率会很高。比较明确的做法是用固态替代方案替换运动部件，使每个部件都能够满足一级温度和质量要求。然而，即使像激光器这样的固态技术也还有很长的一段路要走，毕竟现在很少有激光器能满足一级车规的要求。

4. 探测距离现在LiDAR系统已经证明了可以实现相对较远的探测距离，但是目前存在一个大家广泛持有的假设是，这种性能水平仅在1550nm扫描激光器中才有可能达到。该技术确实可提供良好的探测距离，但由于高功率1550nm激光器和传感器的成本，价格却非常高。现已开发出廉价泛光激光器技术，具有可比的探测距离和有吸引力的成本优势。

5. 人眼安全长期以来，1550nm波长的激光被认为是人眼安全的最佳数值。它确实是比那些可以穿透眼睛进入视网膜的激光类型更安全。然而，高成本的1500nm二极管泵浦固体激光器（Diode Pumped Solid State laser，DPSS）、二极管泵浦光纤激光器（Diode Pumped Fiber laser）或带有掺铒光纤放大器（Erbium& Doped Fiber Amplifiers，EDFA）的分布式反馈激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）的主导地位目前正受到新的器件拓扑的挑战，这些器件拓扑可使较短的波长变得安全。

应对尺寸挑战

好消息是什么？在车辆顶部旋转万向架上安装大型旋转“全家桶”（即LiDAR）的日子已经所剩不多了。使用合适的垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）照明器可以大大减少LiDAR系统的占位面积。照明解决方案制造商可以将数百个VCSEL激光器集成到仅为毫米级大小的微芯片上。这项技术将极大地减少LiDAR系统整体尺寸，同时还能提供照亮整个视场所需的人眼安全的高功率。LiDAR单元可以缩小至一副牌的大小甚至更小。在汽车应用中，这就可以将LiDAR安放在汽车外部和内部的多个位置，以有效地测量距离可为数米或远至200多米的物体。这些变化为无人驾驶汽车提供了额外的环境监测和防碰撞功能。

图1 TriLumina生产的VCSEL芯片

打破成本壁垒

缩小LiDAR系统尺寸背后相同的技术和思路，也可以用于大幅节约成本！半导体VCSEL，特别是940nm波长的VCSEL激光器，利用现有的半导体工艺，针对手机等大规模生产的产品进行优化，使用硅基芯片代替了1550nm激光器和传感器中价格更昂贵的磷化铟（InP）和铟镓砷（InGaAs）器件。当您将这些工艺和材料所节省的成本整合计算后，每个LiDAR单元的成本可以降至200美元或更低，而目前许多机械和1550nm解决方案的成本都超过1000美元。以这样的价格，在无人驾驶汽车上使用多个LiDAR单元以获得先进的传感能力和更高的安全性要实际得多。

提高可靠性

当今的LiDAR技术大多是基于旋转镜或MEMS微镜。这些技术包含很多运动部件，它们的生产成本和故障率都很高。值得注意的是，许多LiDAR系统必须在不太理想的气候和高振动环境下运行。理想的940nm波长的VCSEL模块化激光技术可在通过AEC-Q100认证的一级温度范围内（-40°C至125°C）的汽车中工作。这项技术已经在电信领域应用了二十多年，可靠性极高。此外，这些新型VCSEL激光器已经针对远程LiDAR的功率要求和AEC-Q100认证一级温度范围，进行了数百万小时的等效运行测试，性能没有出现任何意外降低。

扩大探测范围

通常，由于人眼安全限制，905nm波长的边缘发射激光器（EEL）只能在100米左右的范围内使用，而1550nm波长的激光器可用于实现远距离并对人眼安全的照明。然而，在可以预见的未来，1550nm波长激光器和传感器的成本是令人望而却步的。LiDAR行业流传着自己的传说，认为实现这一长距离探测的唯一方法，只有通过使用这些昂贵的1550nm波长的激光器和传感器。940nm波长的VCSEL激光器结合了独特优势，既利用了太阳光谱在940nm的大幅下降（太阳光干扰较小），又利用了大规模、低成本的VCSEL技术。940nm处环境光噪声的降低，使得在较低的激光功率下可以获得更广的探测范围。现在，已经在移动电话中使用了940nm波长的VCSEL激光器，以便在极低功率和短距离内实现3D传感。现在，VCSEL技术可以在相当远的距离内使用，并且还能保护人眼安全。

针对人眼安全的创新

由于人眼安全限制，905nm波长的EEL激光器通常只能限制在100米左右的范围内使用。尽管红外激光附近的高功率连续波会穿透视网膜并损伤视力，对人眼产生伤害，但是人眼可以承受（人眼安全）在较低占空比下极短脉冲（十亿分之一秒脉冲）的高功率940nm波长的光源。如今的940nm波长VCSEL阵列与EEL激光器等高亮度点光源完全不同。940nm波长的VCSEL阵列包含很多单颗VCSEL激光器，每个激光器功率相对较低，使用短脉冲，因此对人眼比较安全。该技术使用窄脉冲（十亿分之一秒）以非常低的重复频率运行。当这些VCSEL组合成阵列时，它会产生具有很高输出功率的分布式光源，从而来实现长距离探测，但其平均功率很低，并且分布式光源不会损坏视网膜。例如，TriLumina开发出了对人眼安全的倒装芯片940nm波长脉冲VCSEL阵列，其600W峰值光功率可以支持超过250米的探测距离，具有低占空比的特点，平均光功率仅为半瓦。

图2 TriLumina开发出了对人眼安全的倒装芯片940nm波长脉冲VCSEL阵列

LiDAR的广泛部署有望实现

虽然现在MEMS和机械式LiDAR面临的挑战确实是广泛部署LiDAR技术的主要障碍，但这可以通过有望在2019年初完成车规认证的新型VCSEL激光技术来克服。想象一下在车内和车外都有感应功能的无人驾驶汽车，将可以大大减少每年超过3.7万的交通事故死亡人数，并且实现无人驾驶。这些目标只能通过控制成本、减小尺寸、满足汽车可靠性要求和扩大探测距离，同时确保人眼安全来实现。利用正确的激光技术，LiDAR将可以采取下一步措施迈向更广泛的部署。TriLumina目前正为汽车ADAS（Advanced Driver Assistance Systems，高级驾驶辅助系统）应用开发VCSEL产品，并针对性能、尺寸、成本、人眼安全和汽车一级资质等各个特定领域进行研究，以实现LiDAR的广泛部署。这是基于专利倒装芯片和背发射VCSEL阵列，而该阵列可将高脉冲功率阵列、集成微光学器件和电子束转向集成在一个芯片上。