理想的激光雷达该是什么样?拥有至少200米的有效距离,足够高的信噪比,全固态,全部系统集成在一块芯片内,价格不超过50美元。这就是单光子加VCSEL激光雷达。
对于激光雷达有几个参数尤为重要,激光器的接收功率与效率,很大程度决定了激光雷达的信噪比。激光脉冲宽度决定了激光雷达的深度(也就是Z轴)分辨率,一般来说10纳秒就等于深度分辨率1.6米。脉冲重复频率决定了理论最大探测距离,如重复频率必须低于160Khz才能达到1000米的探测距离。激光雷达还有光束发散角的参数,即毫弧度mrad。1mrad的发散角在光束的1公里处,光束直径为1米,这个数值自然是越小越好。光束角很大程度上决定了X轴的分辨率,光束角越窄,X轴分辨率越高,也对有效距离有一定影响。
激光雷达接收部分对性能影响最为明显。最常见的是传统的PIN型光电二极管,一般使用硅材料,成本低廉,技术成熟,市场上很容易买到,通常对应905纳米硅激光二极管,机械激光雷达都使用这种光电检测元件。其次是线性APD,常见的有硅、锗、InGaAs三种。成本方面,硅的成本还是最低,Ge与InGaAs差不多。硅的缺点是只能对应1000纳米以下波长,不能对应最安全的1550纳米波长。绝大多数MEMS扫描型激光雷达和部分VCSEL型Flash型激光雷达都采用硅APD光电二极管。
Flash型激光雷达一般使用1550纳米波长的InGaAs,以大陆收购的ASC最为典型。再次是单光子(SPAD,Single Phton Array Dector),单光子可以分为两种:一种是单光子加淬灭电阻的硅光电倍增管(SiPM,又叫MPPC),一种是与TDC等外围电路集中在一片芯片里的数字单光子DSPAD。MPPC首先由日本滨松商业化,很容易买到,DSPAD需要特别定制芯片和TDC以及外围电路,以美国的普林斯段光机所和MIT的林肯实验室的DSPAD最为著名,但是牵涉到军事机密,很难与其合作。
众所周知,测绘激光雷达可以穿透树冠层,探测到被森林覆盖的地表的起伏,用在军事上可以探测到被遮盖的地方目标,如坦克最常用的遮盖网对激光雷达完全无效,用在无人车上,可以取得类似透视的效果,只需要一个侧面就可得到物体的全部轮廓,单光子就可以做到。最后还有传统的CCD或CMOS图像传感器。
激光雷达对比
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上表对比可见,单光子全面胜出。单光子加VCSEL激光雷达将是最佳激光雷达。
这样的激光雷达雏形早在2014年就已经出现,这就是意法半导体的ToF传感器,目前已经推出了三代ToF传感器,包括VL6180X(第一代)、VL53L0X(第二代)、VL53L1(第三代)。而苹果iPhone 7 Plus中的飞行时间(ToF)测距传感器是意法半导体为苹果公司定制的4代产品,也就是VL6180X。不过VL6180X只做距离测量,有效距离只有10厘米,主要是手机贴近耳朵时自动关闭屏幕,在iPhone8的面部识别中并没有使用,而是使用了苹果拥有专利的PrimeSense技术。
使用了Lumentum和Finisar的VCSEL,之所以放弃意法半导体的方案,一是价格比较高,其次是功耗和体积略大。实际VCSEL价格很低,所占的收入比例在Lumentum里不到5%,微不足道。VL53L0X的有效距离增加到2米。VL53L1的有效距离增加到4.5米,意法半导体在2017年3月声称此系列传感器出货量数亿片,用在70多款手机上。第二代VL53L0X也已经被应用在联想的MOTO G4+、华为的P9、P9+和V8,LG的G5、HTC的M10、MEIZU的PRO6之中。
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VL6180X内部就有一个VCSEL发光器和两个单光子检测阵列。使用940纳米的近红外波段,与激光雷达最常用的905纳米非常接近。
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关于激光雷达的基础知识还不得不提一下,激光雷达主要包括激光发射、接收、扫描器、透镜天线和信号处理电路组成。激光发射部分主要有两种,一种是激光二极管,通常有硅和InGaAs两种基底材料,硅的价格低廉,波长一般是905纳米,受太阳光干扰最小,但功率增加的话可能对人眼造成伤害,硅的暗电流比较小,灵敏度低。InGaAs价格高昂,波长一般是1550纳米,对人眼安全系数高,可以使用功率比较高的激光器,InGaAs灵敏度高但是暗电流也比较高。
再有一种就是目前非常火热的VCSEL,垂直腔面发射,目前Leddartech的固态激光雷达已经使用了Trilumina的VCSEL,VCSEL的优点是价格低廉,体积极小,功耗极低,缺点是有效距离比较短,需要多级放大才能达到车用的有效距离。
对于传感器来说,信噪比是最重要的参数之一。非相干激光雷达的信噪比SNR方程可以表示为
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从上面公式可以看出,要提高信噪比,最简单有效的方法是提高接收信号光功率和量子效率。单光子或者说盖革模式下的APD其量子效率是机械旋转雷达用的硅PIN二极管的数百乃至上千倍。
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要提升功率,就不得不考虑人眼安全,对于常用的905纳米来说是不合适的。1550纳米的InGaAs,和905纳米的硅光电探测器相比要安全太多了,可以毫无顾虑地加大激光器的功率。固态激光雷达领域知名的Luminar就是以使用1550纳米的InGaAs为特色的,其使用的激光器的功率是传统硅光电系统的40倍,不仅提高信噪比,减小脉冲宽度至20纳秒以下,脉冲重复频率低于100MHz,占空比低于1%。同时提升了有效距离,在雨雪雾天,物体的反射率会降低,导致激光雷达有效距离缩短,不过加大功率,就可以解决这个问题。Luminar就是这么做的,Luminar强调即使10%反射率的物体,有效距离也可以达200米。
关于激光功率的放大,Luminar申请了专利。其专利是用二级大模场掺铒光纤(EDFA)放大器将一个种子源激光调制为一个脉冲宽度至20纳秒以下,脉冲重复频率低于100MHz,占空比低于1%的脉冲激光系统。Luminar的专利核心一个种子源激光,另一个是掺饵光纤放大器。
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上图为Luminar的种子源激光器内部构成
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上图为Luminar的放大器内部构成
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通过上图我们可以看出,激光雷达的Z轴分辨率取决于脉冲宽度,激光雷达里有个简单的公式,激光雷达的Z轴分辨率是脉冲宽度的1/6,10纳秒的脉冲宽度分辨率大约就是1.6米。Velodyne的64线激光雷达HDL-64E早期的脉冲宽度是10纳秒,据说改为双反射后提高到5纳秒。大部分固态激光雷达一般是50-150纳秒,单光子可以轻易做到1纳秒甚至是几十皮秒,远远好于大部分激光雷达。
对于固态激光雷达的低分辨率,Velodyne与EPC公司合作解决了这个问题,EPC擅长GaN功率器件技术,GaN是一种宽带隙半导体材料,用这种材料制造的场效应晶体管比传统晶体管开关速度提高10倍以上。在Velodyne的固态激光雷达Velarray就使用了GaN场效应管,据说脉冲宽度达到了1-5纳秒。这也是全球首款用在激光雷达上的GaN场效应管,EPC为激光雷达准备了多个选择,包括EPC2040和EPC2016,后者不仅能让脉冲宽度低于5纳秒,并且峰值电流达75安,电压达100V,高功率会带来高信噪比,不过这功率似乎太大了点。顺便说一句EPC2040是EPC公司设计,台湾Episil(汉磊)制造的硅基GaN HEMT(高迁移率晶体管)器件,价格比传统的场效应管贵大约20-40%。