雷射雷達正在迅速成為自動駕駛汽車市場一項重要的功能。事實上， 許多人都認為雷射雷達技術是主流自動駕駛汽車市場競爭中最重要的光學技術。但並非所有自動駕駛汽車都是全自動的。雷射雷達正是區分自動駕駛汽車是否是全自動的重要技術。
儘管大多數現代車輛都帶有用於盲點探測的雷達以及提高能見度的攝像頭，但是根據SAE國際標準，他們依然屬於不完全自動的2級自動駕駛汽車。4級以及5級的全自動駕駛汽車，要求有多個機械和光學感測器，包括雷達，攝像頭以及雷射雷達，用於觀察道路。相較于雷達和攝像頭，雷射雷達更加精准，能夠對靜止以及移動中的物體均進行精准的3D繪圖。由於雷射雷達對於自動駕駛汽車至關重要，幾乎所有自動駕駛汽車市場的主要參與者都將雷射雷達集成到其車輛中。
.jpg) |
OpticStudio 模型顯示了安裝在汽車前保險杠上的雷射雷達光源在約20米遠的貨車上反射。
|
固態雷射雷達解決了行業挑戰
到目前為止，將雷射雷達集成到自動駕駛汽車的主要挑戰之一是雷射雷達系統需要有能夠360度運動的機械鏡。第一台自動駕駛汽車的頂部就安裝了這樣的旋轉雷射雷達系統，但是它們對於振動非常敏感，難以小型化並且總體來說成本高昂。然而，近期技術的發展改善了雷射雷達系統的耐久性並使其價格大幅下降。
在汽車行業中，雷射雷達系統的大多數創新都集中在建立固態系統，並減少掃描視場鐳射光束的機械旋 轉。雖然這通常會導致更有限的視場，但新的固態雷射雷達系統滿足了長距離掃描的技術要求，而且由於沒有運動部件，它們比以前使用的機械式旋轉掃描系統更加耐用，也更便宜。
固態雷射雷達系統的發展有助於推動市場增長，預 計在2022年，雷射雷達市場將實現25%的增長。此外，該領域市場的增長將引發激烈的競爭，從而進一步降低將固態雷射雷達系統集成到自動駕駛汽車的成本。
行業內的激烈競爭
在2018年的國際消費電子展（CES）上，感測器技 術公司LeddarTech展出了他們宣傳的“世界首款能夠實現車用雷射雷達大規模量產的3D固態雷射雷達晶片”，該項技術獲得了CES 2018兩個類目創新大獎的提名。Innoviz宣佈將於2019年推出一款名為InnovizOne的汽車級低成本雷射雷達，並發佈了InnovizPro，這是一款基於MEMS掃描技術的、獨立的固態雷射雷達系統。
此外，在展會上，汽車雷射雷達行業的領導者Velodyne 發佈了 Velodyne Velarray，一款高性價比、高性能的固態雷射雷達，可以無縫嵌入自動駕駛汽車以及先進駕駛輔助系統（ADAS）。
Quanergy 近期在加州森尼韋爾（Sunnyvale）開設了一家自動化工廠，生產該公司獲得2017年CES 最佳創新獎的S3固態雷射雷達感測器。該工廠的開設讓Quanergy 成為唯一一家大規模生產3D固態雷射雷達的公司，並朝著低成本主流雷射雷達邁進了一大步。
最新的固態雷射雷達設計
雷射雷達系統測量雷射脈衝或調製信號從發出到目標再返回光學感測器的時間。計算目標距離將信號單程飛行時間乘以光速即可。鐳射光源會對視場進行掃描，從而實現精確的3D繪圖。
所有汽車雷射雷達系統均有三個主要部分組成：鐳射光源，掃描或漫射光學器件以及感測器。固態雷射雷達系統正如其名字一樣，在掃描或漫射光學器件中不使用任何運動部件。對於固態雷射雷達系統，有三種不同的方法來實現鐳射光束掃描或漫射整個視場。
與使用窄光束掃描目標場景不同，Flash固態雷射雷達使用強閃光照亮整個視場。該方法的優勢是僅用一次閃光即可捕捉整個目標場景，無需機械掃描部件， 就如照相機閃光燈一樣。捕捉整個目標場景需要勻光器以及高功率紅外光源，同時還需要有高靈敏度的探測器，這將極大增加成本。
另一種更具性價比的方法是採用相控陣原理實現固態雷射雷達。相控陣原理在無線電領域已經使用了幾十年，同樣的概念近期被用於光學領域，在光子積體電路上使用微納尺度的器件。就像雷達系統中使用的天線陣列一樣，固態雷射雷達系統中的光學相控陣技術
採用微機電系統（MEMS）振鏡設計的雷射雷達也被認為是固態雷射雷達。從技術上講，MEMS雷射雷達系統中依然存在運動部件，但與傳統雷射雷達系統中使用的大型旋轉鏡相比，機械運動已經明顯減少。LeddarTech的雷射雷達系統使用了MEMS設計。
.jpg) |
OpticStudio模型顯示了光源對目標物體進行了40多度的掃描。一小部分光線被目標物體反射並被探測器收集。
|
設計固態雷射雷達系統的複雜之處
在為自動駕駛汽車設計固態雷射雷達系統時，光學工程師需要面對諸多挑戰。例如，相較於在頂部可360 度旋轉的雷射雷達系統，固態雷射雷達系統的視場十分有限。商用的OPA雷射雷達系統可達到的最佳視場為50度左右，MEMS雷射雷達系統稍微好一些，可以達到60度左右。因此，替代1個頂部機械旋轉式雷射雷達系統至少需要6個固態雷射雷達系統。因此，固態雷射雷達系統要想在商業上具有可行性，必須保證多個固態雷射雷達系統的價格要低於單個機械旋轉式雷射雷達系統。
除了要擴大視場之外，光學工程師還要致力於讓汽車雷射雷達系統的工作範圍最大化。雷射雷達系統的最大工作範圍取決於鐳射功率，目標物的反射率以及探測器的靈敏度。在高速公路上，汽車通常以每小時90 公里的速度行駛，約每秒30米。如果一輛車起步需要10秒達到該速度，那麼雷射雷達系統需要能夠準確探測到30*10=300米以外的目標。即使是OPA和MEMS 雷射雷達系統也需要一個高功率光源來獲取足夠的信噪比，尤其是對於輪胎或者其他啞光黑色物體等反射率較低的目標物。
如果雷射雷達系統使用脈衝來測量飛行時間，那麼可以通過降低雷射脈衝重複頻率來動態增加單個脈衝的功率。但是，這只能在一定程度上起作用，因為降低重複頻率也會降低測量範圍的準確性。假設電子足夠快，雷射脈衝的最大重複頻率決定了資料的最大點密度，從而決定了雷射雷達系統的精度。重複頻率越快，資料越密集，空間資訊就約詳細。
雷射雷達系統也必須考慮到眼睛的安全。根據職業安全與健康管理局（OSHA）的要求，大多數汽車製造商都儘量使用一級雷射器，這種雷射器“無法在已知的危險水準上發射鐳射”。因此，探測器必須足夠靈敏，既能探測到對於眼睛安全的鐳射，又能探測到低反射率的目標。目前大多數用於汽車雷射雷達的探測器都屬於以下兩種固態光電探測器，一種是單光子雪崩二極體（SPAD），另一種是矽光電倍增管（SiPM），因為它們在長波長下檢測效率更高。
.jpg) |
OpticStudio分析顯示了一種對於可見光波段低透過率，對於紅外波段高透過率的鍍膜。
|
探測器還必須能夠在晴朗的白天正常工作，並處理高達98,000勒克斯（流明每平方米）的環境光。為了滿足這一要求，雷射雷達的設計採用了僅能通過接近鐳射波長的窄帶通濾光片，或者採用限制視角的方法。
目前，大多數固態雷射雷達系統都使用雷射脈衝來測量飛行時間，但是還有另外一種使用連續波（CW） 調頻（FW）鐳射的方法。CW鐳射光束被分為一束參考光和一束目標反射光。CW光源的頻率以一致的速率變化，所以當兩束光在探測器相遇時，發生的干涉可以用來分析計算目標距離。該技術在提高探測信號的範圍和減少干擾方面取得了可喜的成果。汽車上有多個雷射雷達系統，很可能難以從不同的雷射雷達光源中分離出不同的脈衝。
在CWFM雷射雷達系統中可以減少這種不確定性，因為每個光源都可以採用不同的調製。此外，CWFM雷射雷達還可以通過單次測量來檢測物體的速度，因為它可以包括多普勒頻移。
每一個設計上的難點都伴隨著預算上的挑戰。對於運行速度較低，不需要對障礙物迅速做出反應的車輛而言，低成本低資料品質的雷射雷達系統就足夠了。但隨著汽車行業大力宣傳全自動駕駛汽車的前景，雷射雷達系統必須在高速運行下，既經濟又準確。
使用原型樣機模擬讓雷射雷達系統更快進入市場
雷射雷達行業的激烈競爭讓光學產品設計團隊無法承受產品開發的延遲。雖然設計出達到預期效果的光學系統可以很簡單，但是預測實際產品的表現並且平衡產品性能與成本則需要一個全面的原型樣機。所有位於自動駕駛汽車雷射雷達系統周圍的可能產生雜散光的光源都需要被考慮。例如，雷射雷達系統中的雜散陽光可能會被當作一個假信號。又或者，附近雷射雷達系統中的信號可能是另一個雜散光的來源。
Zemax 原型樣機模擬是創建完整雷射雷達系統原型樣機，而不僅僅是光學或者機械元件的唯一解決方 案。在生產物理原型之前，工程師團隊可以在完整的光機產品上類比光學性能。使用Zemax原型樣機模擬，你可以類比交通信號燈的開關、車燈以及其他雜散光來源產生的影響。
Zemax原型樣機模擬通過簡化光學工程師與機械工程師之間的溝通，保持檔案在OpticStudio與CAD平臺傳遞過程中不失真，並允許工程師在更改更容易、成本更低的情況下及早發現和糾正錯誤，從而減少設計反覆運算並加快驗證設計。在Zemax，我們已經看到客戶使用我們的軟體將開發週期縮短了一半，從而在市場上打敗了他們的競爭對手。
在自動駕駛汽車市場份額的競爭中——根據英特爾公司的資料，到2050年，有價值7萬億美元的潛在“乘客經濟”——發展週期中的每一秒都很重要。
.jpg) |
LensMechanix模型，展示了針對一個物鏡及其機械裝配進行的雜散光分析。
|
業務聯絡：ansys_sales@cybernet-ap.com.tw
