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    激光雷達推動汽車行業走向更遠的未來

    來源:榮格-《國際汽車設計與制造》     發布時間:2021-09-02
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    汽車功能電子化和先進的安全/自動駕駛是汽車領域的兩個主要大趨勢,也是“零事故之路”的核心。大多數事故是由人為錯誤造成的,融合的感知方案有助于使車輛“不出錯”,對道路上可能出現的障礙性危險事前警戒駕駛員并主動采取行動,確保駕駛員在駕駛時不分心。本期內容,我們聚焦新興的激光雷達(LiDAR),從它的技術原理探尋其被車企青睞的原因,看看它有哪些其他傳感器不具備的特質。再聽一聽來自安森美汽車戰略及業務拓展副總裁Joseph Notaro分享他們對于未來汽車行業的預判以及正在努力的方向,希望能給讀者帶來一些借鑒意義。

    為什么要采用激光雷達(LiDAR)?


    自動駕駛在汽車行業內已經不算是一個新的話題,據悉,目前行業內生產的車輛達到了SAE International規定的Level 2和Level 2+自動駕駛的級別。要想實現全自動駕駛,還需要引入超聲波、雷達、激光雷達(LiDAR)和視覺四種關鍵的傳感技術,并拓寬其應用范圍。


    QQ截圖20210902111616.jpg

    安森美汽車戰略及業務拓展副總裁Joseph Notaro


    例如,全自動駕駛汽車可能需要超過20個單獨的雷達系統,但根本問題在于,雷達空間分辨率的局限性使它仍得不到廣泛應用。而在這方面,LiDAR能夠提供高分辨率的深度圖像,其性能遠遠超過雷達。安全系統越來越受到重視,除了能夠知道物體的存在之外,還需要能夠對物體進行分類和識別,這變得尤為重要。


    雖然基于圖像傳感器的視覺系統可以借助傳感器套件提供最佳分辨率,但在夜間,由于缺少環境光,視覺系統將受到限制。相反,LiDAR系統能自產光源,因此受環境光條件的影響較小。此外,LiDAR本身還能提供深度信息,而基于圖像傳感器的視覺系統只能看到場景的2D 視圖,雖可以根據立體配置間接計算深度,但會降低深度準確性。因此,目前LiDAR裝車量不算高導致成本還比較高,但獨特的能力使其成為打造先進駕駛輔助系統(ADAS)體驗的重要一環。


    在前不久的第十六屆上海國際汽車制造技術與裝備及材料展覽會(AMTS 2021)現場,位列全球前十大汽車行業半導體供應商的安森美也帶來了該公司LiDAR方案。同時,還展示了最新汽車級的硅光電倍增管(SiPM)的參考設計,RDM 1x16陣列實現了高性價比的長距離LiDAR方案,在微光條件下即時、準確地識別物體,將安全和自動駕駛提升到新的水平。


    SiPM是基于單光子雪崩二極管(SPAD)的探測器,及時反射率極低,也能使系統探測到最遠的物體。SPAD陣列是飛行時間圖像傳感器,可以實現高分辨率的4D成像,同時捕獲場景中所有點的深度數據和強度。


    多種傳感形式協同工作的傳感器模式為未來自動駕駛賦能,LiDAR是實現L3-L5級自動駕駛所需的傳感器模式融合的一個關鍵要素?!鞍采捞幱趥鞲衅骷夹g及其他系統元件的前沿,這些技術能夠實現下一代LiDAR系統。我們的核心傳感器技術對單個光子敏感,同時還能在環境陽光直射條件下工作?!卑采榔噾鹇约皹I務拓展副總裁Joseph Notaro說道。

    激光雷達的工作原理


    顧名思義,LiDAR 使用光來探測距離。它用光源發出光線,觸及視線內的物體而后反射,然后測量光線從發出到返回傳感器所用的時間——統稱為飛行時間(ToF),來探測障礙物的具體形狀。LiDAR可以在不同分辨率水平下探測大型物體,如粗略測量與障礙物之間的距離,或探測像人臉3D特征這樣精細的細節。


    深度探測可以通過各種方式實現,而每種方式各具優點。除了ToF之外,深度探測還使用兩個圖像傳感器來模擬立體視覺,使用結構光來探測物體造成的變形,以及在像素級別進行相位檢測(如圖)。


    QQ截圖20210902111632.jpg


    關于ToF,所使用的技術有直接ToF(dToF)和間接ToF兩種。其中,dToF中的光源為脈沖式,模式中有明確的開/關時間,使接收器能夠探測到光源開啟到檢測到反射光的時間差;在間接ToF中,光源以正弦波的形式連續發射,通過測量光源和反射信號之間的相位差來計算距離。在這兩種情況下,無論是直接還是間接,都是借助光離開發射器后到達探測器所用的時間來提供距離數據。


    單光子雪崩二極管(SPAD)因為可以探測到由單個光子組成的反射信號,性能更優,同時也有助于擴大LiDAR系統的測距范圍,可以“看到”更遠距離的低反射率物體。安森美通過開發SiPM進一步完善該方法:SiPM集成了一個并聯獨立SPAD傳感器陣列,每個均采用二進制開關式的工作方式。根據陣列總輸出,可以計算光信號的相對強度。此外,通過對SiPM陣列中的每個SPAD配備第三個電容耦合式端子,響應速度得以提高。這種快速響應輸出中會攜帶測量傳感器響應時間所需的數據。


    “在市場上廣泛采用LiDAR的關鍵是以高產量大批量生產基于光電二極管傳感器的能力?!盝oseph Notaro表示。據悉,安森美開發的SiPM傳感器已針對近紅外(NIR)優化,在905nm波長范圍具有高靈敏度,單光子增益達到106。經過設計,它還能在相對較低的30V偏置電壓下運行,由于其恢復時間快,還能提供出色的帶寬。
    從技術角度而言,具備以上特點的SiPM適合汽車應用,但它也需要在商業上可行。阻礙 LiDAR廣泛采用dToF的主要障礙之一就是價格,但這可以通過兩種方式解決。第一,采用互補型金屬氧化物半導體(CMOS)工藝,傳感器陣列的單位成本得以優化。第二,安森美開發了有效的制造工藝,可提升所生產傳感器的均勻度,使傳感器的成本效益得到提高。

    走向更安全、更智能的未來駕駛


    除了LiDAR相關的產品,在自動駕駛方面,安森美還展示了AR0144AT駕駛員監控系統,采用一個100萬像素傳感器,對紅外(940nm)LED照明的高靈敏度進行了優化,并具有行業領先的快門效率,實現精確的眼睛/頭部跟蹤。它的小尺寸使其易于集成到儀表盤和信息娛樂系統中?!鞍采朗侨蚱噲D像傳感器行業領先的企業,致力于不斷推動這些傳感器具備領先業界的高動態范圍、減少LED閃爍(LFM)和微光靈敏度?!盝oseph Notaro表示。


    對于無人駕駛的發展趨勢,Joseph Notaro直言這已經不是完全自動駕駛車輛將會何時部署的問題了,其已經投入了使用,雖然有些還是有特定的條件,但可以從中看到,未來自動駕駛已來?!安粌H是出租車公司,運輸車輛和商用車制造商也在部署自動駕駛?!彼f道,“支持L4 / L5級功能的技術已就緒,為了更廣泛地部署這些系統,我們需要建立信心,相信這些車輛可以在極端的角落情況下安全運行。在這方面,安森美等公司需要繼續提高傳感器在所有條件下的性能以發揮作用?!?/p>


    自動駕駛帶來的技術挑戰之外,對于電動汽車來說,里程焦慮也是其面臨的挑戰之一。碳化硅作為第三代半導體的材料之一,正在幫助制造商和消費者緩解這種焦慮。首先,其低功耗的特點可以不浪費電池中的能量,讓汽車駕駛更長時間;此外,碳化硅還可優化充電效率以實現快速充電,讓駕駛員可以在幾乎與傳統汽車加油相同的時間內為電動車充電。安森美致力于硅制造數十年,在將碳化硅以最佳性能和質量、合適的成本大批量推向市場方面走在前列。


    談及目前對整個汽車產業鏈都造成困擾的缺芯問題,Joseph Notaro直言,當前的汽車供應鏈模式已經30多年沒有改變了。精益制造和準時制生產方式在穩定的市場條件下是高效的,但在市場顛覆期間表現出嚴重的局限性。汽車行業對新冠肺炎疫情(COVID-19)引發的衰退反應緩慢,由于庫存減少,半導體制造需要的時間也比較長,當整車廠商和Tier1供應商開始對市場復蘇做出反應時,要保證半導體需求已經太晚了?!鞍采勒c汽車合作伙伴密切合作,實施創新的供應鏈模式,讓我們能夠支持即將到來的汽車功能電子化和自動駕駛革命?!?/p>



    來源:榮格-《國際汽車設計與制造》


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