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FMCW激光雷达助力机器人和自动驾驶汽车

2022/5/11 来源：不详

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机器视觉是许多现实世界应用的基本功能，使机器人能够感知周围的世界。据麦姆斯咨询报道，近日，SiLCTechnologies，Inc.（简称：SiLC）推出了Eyeonic视觉传感器，为更广阔的市场提供相干视觉和芯片级集成方案。SiLC最新的视觉传感器通过提供双偏振强度信息，以及对多用户和环境干扰的免疫功能，将激光雷达（LiDAR）的性能提升到了一个新的水平。

汽车制造商正在为下一代汽车引入越来越先进的高级驾驶辅助系统（ADAS）解决方案，目标是有一天达到L4级别及以上的自动驾驶水平，汽车将能够在没有任何驾驶员干预的情况下执行所有驾驶功能。另一个具有挑战性的应用是自主机器人，机器视觉可以引导机器人穿过仓库，并躲避其路径中的任何障碍，以改善物流链。机器视觉解决方案需要先进的传感器以获取实时数据，以及在固件或硬件级别对其进行处理，并为决策算法（最终基于人工智能（AI））提供高层次信息。适用于汽车和机器人的机器视觉应用的传感器技术包括雷达和激光雷达。在本文中，麦姆斯咨询将介绍一种由美国加州初创公司SiLC开发的新型激光雷达技术，该技术通过相干传感器为汽车、机器人和工业应用实现4D视觉。

SiLC开发的4D激光雷达的数据展示：

SiLCEyeonic视觉传感器Eyeonic视觉传感器于年12月推出，并于今年1月在CES上展示，它是一种频率调制连续波（FMCW）激光雷达，不仅提供深度信息，还可以提供速度和偏振强度数据。

SiLC业务开发和营销副总裁RalfMuenster在接受EETimes采访时表示：“这款产品的创新之处在于，第一次有人在一颗芯片上集成了实现相干视觉传感器所需的所有光子学功能。”Eyeonic视觉传感器（如图1所示）是基于FMCW技术开发的，该技术比传统激光雷达更复杂，但赋予了额外的功能，并能够将众多系统组件缩小到芯片级。Eyeonic是第一款商用的芯片级集成FMCW激光雷达，占位面积小，并满足最严格的低成本和低功耗标准。

图1：Eyeonic视觉传感器的细节视图（来源：SiLC）

图1展示了传感器的内部部分，激光雷达功能集成在一颗硅光子芯片上，该芯片上还包括超窄线宽激光器、半导体光放大器、锗探测器和光波导。SiLC的Eyeonic视觉传感器不同于其他类似的竞争解决方案，后者需要2个、3个甚至4个芯片，并要求它们与某种光学耦合器或光纤连接。Muenster说：“此外，每个连接都会损耗3-10dB，这是无法承受的，因为光子很重要，不能浪费它们。”与传统激光雷达的另一个显著区别是用于系统级安装设备的技术。通过使用飞行时间（ToF）技术，当前的3D视觉系统一般依赖于nm波长高功率激光器和高灵敏度探测器。这些技术已经取得了足够的成功，可以在自动驾驶汽车实验中进行早期部署。然而，昂贵的制造工序限制了它们的分辨率和成本效益。此外，眼睛安全问题限制了它们的使用范围，多用户串扰问题可能会限制它们的更广泛应用。总的来说，基于ToF技术的激光雷达发射一个或多个激光脉冲，等待它们返回探测器，然后计算往返时间；探测精度大约是一厘米，或者大部分是几厘米。Muenster说：“有些人对ToF技术很感兴趣，因为nm波长激光器易于制造，且CMOS探测器成本低廉。然而，这种解决方案需要多个芯片，必须非常小心地排列组装。”为了解决人眼安全监管方面的问题，并可以在几乎没有多用户干扰的情况下大规模实施，人们普遍认可nm波长的FMCW技术。由于成本和所需组件的数量问题，这种方法过去并未得到广泛应用。据SiLC称，其硅光子集成平台是一种具有成本效益的解决方案，利用现有的半导体制造工艺将所需的所有高性能组件集成到单个硅芯片中，从而实现低成本、紧凑和低功耗的解决方案。硅制造方法使复杂的元器件和技术得到了大规模的应用。FMCW是一种广泛用于相干多普勒雷达的技术。FMCW雷达会随着时间的推移进行发射，然后，当反射脉冲返回时，可以计算发射和接收脉冲之间的频率差（偏移）。由于多普勒效应，该偏移是被探测（反射）物体的距离和速度的函数。这就是相干激光器的工作原理。FMCW有很多优势。首先，它可以在任何照明条件下工作，并且不受环境干扰和串扰的影响；这意味着用镜子将阳光直接反射到传感器中心无法对其进行干扰。即使在远距离，精度也非常高（毫米级），且可以远距离进行探测。FMCW的另一个优势是，对于相同的探测距离，它需要的功率比ToF方案小得多。由于其相干性，Eyeonic视觉传感器增加了瞬时测量目标速度的能力，成为真正的4D传感器。此外，除了芯片集成之外，SiLC还提供双偏振强度数据，从而实现了材料识别和表面分析（参见图2）。

图2：偏振强度成像（来源：SiLC）

“速度数据可以让机器视觉系统在检测到的物体周围绘制轮廓，偏振强度数据可以帮助确定物体是什么。因为你有一个速度向量，你已经知道物体接下来会在哪里。因此，不必通过机器学习和神经网络训练来推断这些信息。”Muenster说。SiLC的解决方案与扫描仪是不相关的。这意味着它可以与任何类型的扫描仪一起使用，帧速和分辨率完全可配置，具体取决于相关应用。Eyeonic视觉传感器提供光纤尾纤和无光纤两种配置。前者通过支持FMCW激光雷达收发器和扫描单元位于不同位置来实现设计灵活性，而后者在紧凑配置中成本最低。从年第二季度开始，SiLC的Eyeonic视觉传感器将向战略客户供应，它将提供一个完整的视觉系统，以便系统集成商和最终用户轻松快速地进行评估。它将是市场上可获得的紧凑且功能强大的FMCW激光雷达系统，具有多种配件，以适应任何客户的应用。