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解密华为的激光雷达

佐思汽车研究 ? 2020-10-12 11:43 ? 次阅读

华为最近展出了针对自动驾驶的一系列传感器,包括双目摄像头、毫米波雷达和激光雷达。这次我们首先解密华为的激光雷达,下次是双目摄像头。

华为的保密工作一向是业内最好的,因此别指望有太多公开资料,因此突破口还是选在专利上。2020年7月2日,世界知识产权组织国际局公布了华为的一项有关激光雷达的专利,发明名称为一种激光雷达测量模组和激光雷达。这是华为激光雷达领域覆盖面最广的专利,长达52页,大多数中文发明专利不超过20页?;ɡ昵胂晗杆得髁思す饫状锏脑砗凸乖?。很有可能就是华为这款激光雷达2.0的详细介绍。

在解密华为激光雷达前先了解一下激光雷达信噪比的概念,任何传感器,最重要的参数就是信噪比,非相干激光雷达的信噪比SNR方程可以表示为:

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。激光雷达按光学扫描器目前可以分为三大类,一类是旋转型机械激光雷达,包括360度旋转和反射镜往复的Scala,是目前最常见最成熟的激光雷达。第二类是MEMS激光雷达。第三类是Flash激光雷达,Flash激光雷达实际是2D/3D焦平面(FPA)摄像机,也就是手机和平板领域大量使用的ToF相机,两者完全一样,只是有效距离差很多。Flash激光雷达全半导体构成,与目前传统摄像头几乎没有差别,因此前途远大,但近期内落地较难,因为目前VCSEL的效率和指向性,让Flash激光雷达有效距离和分辨率都不及前两类,顺便要说一下,前两类激光雷达输出的是点云,Flash激光雷达输出的是3D图像,当然也可以输出点云。目前高性能Flash激光雷达主要是IBEO和OUSTER。都对Beam做了调整,不是单一Beam而是Multi-Beam。

MEMS是目前最快落地的方案,和机械激光雷达相比,其优势有三,首先MEMS微振镜帮助激光雷达摆脱了笨重的马达、多棱镜等机械运动装置,毫米级尺寸的微振镜大大减少了激光雷达的尺寸,提高了可靠性。

英飞凌收购的Innoluce MEMS激光雷达示意图

其次是成本,MEMS微振镜的引入可以减少激光器和探测器数量,极大地降低成本。传统的机械式激光雷达要实现多少线束,就需要多少组发射??橛虢邮漳??。而采用二维MEMS微振镜,仅需要一束激光光源,通过一面MEMS微振镜来反射激光器的光束,两者采用微秒级的频率协同工作,通过探测器接收后达到对目标物体进行3D扫描的目的。与多组发射/接收芯片组的机械式激光雷达结构相比,MEMS激光雷达对激光器和探测器的数量需求明显减少。从成本角度分析,N线机械式激光雷达需要N组IC芯片组:跨阻放大器(TIA)、低噪声放大器(LNA)、比较器(Comparator)、模数转换器ADC)等。如果采用进口的激光器(典型的如Excelitas的LD)和探测器(典型的如滨松的PD),1K数量下每线激光雷达的成本大约200美元,国产如常用的长春光机所激光器价格能低一些。MEMS理论上可以做到其1/16的成本。

最后是分辨率,MEMS振镜可以精确控制偏转角度,而不像机械激光雷达那样只能调整马达转速。像Velodyne的Velarray每秒单次回波点达200万个,而Velodyne的128线激光雷达也不过240万个,Velarray几乎相当于106线机械激光雷达。

那么MEMS的缺点是什么?缺点就是信噪比和有效距离及FOV太窄。因为MEMS只用一组发射激光和接收装置,那么信号光功率必定远低于机械激光雷达。同时 MEMS激光雷达接收端的收光孔径非常小,远低于机械激光雷达,而光接收峰值功率与接收器孔径面积成正比。导致功率进一步下降。这就意味着信噪比的降低,同时也意味着有效距离的缩短。扫描系统分辨率由镜面尺寸与最大偏转角度的乘积共同决定,镜面尺寸与偏转角度是矛盾的,镜面尺寸越大,偏转角度就越小。而镜面尺寸越大,分辨率就越高。最后MEMS振镜的成本和尺寸也是正比,目前MEMS振镜最大尺寸是Mirrorcle,可达7.5毫米,售价高达1199美元。速腾投资的希景科技开发的MEMS微振镜镜面直径为5mm,已经进入量产阶段;禾赛科技的PandarGT 3.0中用到的MEMS微振镜则是由自研团队提供。

解决办法主要有两种,一是使用1550纳米发射波长的激光器,用光纤领域的掺铒放大器进一步提升功率,1550 nm波段的激光,其人眼安全阈值远高于905nm激光。因此在安全范围内可以大幅度提高1550 nm光纤激光器的激光功率。典型例子就是沃尔沃和丰田投资的Luminar。缺点是1550纳米激光器价格极其昂贵,且这是激光器产业的范畴,激光雷达厂家的技术远不及激光器产业厂家,想压低成本几乎不可能,还有一个缺点是1550纳米对阳光比较敏感。不过1550纳米附加一个优点就是像毫米波雷达一样全天候。二是使用SPAD或SiPM接收阵列,而不是传统APD阵列,SPAD阵列效率比APD高大约10万倍,典型例子是丰田中央研究院。但SPAD阵列目前还不算特别成熟,价格也略高。

华为要想快速切入激光雷达领域,自然也是选择MEMS激光雷达,不过针对功率过低的缺点,华为做了改进,也就是华为专利所说的,多线程微振镜激光测量模组。

华为采用机械激光雷达的做法,采用多个发射和接收组件,而不是传统MEMS激光雷达那样只有一个,因为华为在光电领域产业庞大,规模效应突出,采购激光发射器和接收器的成本远比传统激光雷达要低。

华为激光雷达光路图

图中画出了三个测距模组,分别是100a、100b、100c,每个模组包括三个元件,分别是激光发射器101B,分光镜102a,接收器103a。104a为出射光束,110为反射镜,105a为回波光束,120为MEMS振镜,微振镜二维扫描摆动,实现光束140a(源自104a)的扫描。130为处理电路。100a、100b、100c结构完全一致,分时发射激光束?;牡刃?00线,当然也不是100个测距模组,那样增加成本太多了,毕竟MEMS振镜的垂直扫描密度要好控制的多。

华为激光雷达立体结构图1

华为激光雷达立体结构2

华为激光雷达立体结构3

110反射镜的出现,让华为激光雷达更紧凑,更加方便线路板布线。同时以120MEMS振镜为核心,两边对称放置测距模组。结构更加简洁。160和170为连接线缆,180为透光外壳窗口。

华为这种设计,当然成本和体积肯定比传统MEMS激光雷达大多了,但性能也增加了,特别是有效距离和FOV,通常激光雷达厂家在说明有效距离时不会加上反射率,一般默认为90%,这样数字会好看很多,而华为特别点明反射率10%,反射率10%的情况下,即使短距离激光雷达都可达80米,传统MEMS激光雷达通常只有一半即40米。功率的增加让MEMS振镜尺寸可以缩小,FOV就可以大一点,华为激光雷达的FOV也是业内最大的。振镜越小,价格也越低?;庵帜?槭讲季?,可以快速出产多种用途的激光雷达,适应不同的市场需求。

最有希望的Flash激光雷达,相信华为也有布局,不过Flash激光雷达的关键不在于激光雷达厂家,而是ToF传感器厂家,这些领域都是巨头,索尼、OV、ST、东芝、松下、安森美、英飞凌等。未来可能像摄像头一样,这些巨头提供传感器,激光雷达厂家做成模组,但这个过程可能长达8-10年。这期间三种激光雷达可能长期共存。

原文标题:揭秘华为激光雷达

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看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 加速度计类型?: MEMS DC 即插即用加速度计传感器类型?: 直流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接?: 一体式电缆 电气特征 满量程输出电压?(VDC): ±2 励磁电压?(VDC): 8 – 36 零加速输出?(mV): ±100 励磁电流?(mA): 5 信号特征 频率响应?(Hz): 0-300 主体特性 轴数?: 1 重量?: 7?g?[?.245?oz?] ...
发表于 08-21 01:00 ? 14次 阅读
4000A-050-030 4000A-050-030 即插即用加速度传感器
看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 加速度计类型?: MEMS DC 即插即用加速度计传感器类型?: 直流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接?: 一体式电缆 电气特征 满量程输出电压?(VDC): ±2 励磁电压?(VDC): 8 – 36 零加速输出?(mV): ±100 励磁电流?(mA): 5 信号特征 频率响应?(Hz): 0-800 主体特性 轴数?: 1 重量?: 7?g?[?.245?oz?] ...
发表于 08-21 01:00 ? 8次 阅读
603-0100-120 603-0100-120 速率和惯性传感器
看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 速率和惯性传感器类型?: Rate Sensors/Gyros 电气特征 励磁电压?(VDC): 5 – 16 尺寸 尺寸 MM?: 20.8 x 20.8 x 14.5 使用环境 工作温度范围?: -40 – 105?°C?[?-40 – 221?°F?] 包装特性 速率和惯性传感器包装?: Anodized Aluminium 其他 精确度?: ±0.5% Non-Linearity FS 范围 (±) DEG/SEC?: 100...
发表于 08-21 01:00 ? 12次 阅读
20010631-00 610-12K-276 速率和惯性传感器
看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 速率和惯性传感器类型?: Rate Sensors/Gyros 电气特征 励磁电压?(VDC): 5 – 16 尺寸 尺寸 MM?: 14.6 x 10.2 x 7.6 使用环境 工作温度范围?: -40 – 105?°C?[?-40 – 221?°F?] 包装特性 速率和惯性传感器包装?: Anodized Aluminium 其他 精确度?: ±0.5% Non-Linearity FS 范围 (±) DEG/SEC?: 12000...
发表于 08-21 01:00 ? 12次 阅读
62105012-000 62105012-000 位置传感器配套仪表
看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。? 电气特征 线路电源电压要求?(VDC): ±12, ±15 信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型?(VDC): ±10 励磁电压?(Vrms): 3 信号特征 励磁频率?(kHz): 2.5 – 10 机械附件 信号调节 - LVDT/RVDT 安装?: Printed Circuit Board Edge or Terminal Block 使用环境 工作温度范围?: -1 – 55?°C?[?30 – 130?°F?] 其他 传感器类型?: 带 5 或 6 根导线的 LVDT 或 RVDT 传感器通道?: 1 ...
发表于 08-21 01:00 ? 12次 阅读
67010001-000 67010001-000 线性位移传感器 - LVDT
看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。? 使用环境 工作温度范围?: 5 – 60?°C?[?41 – 140?°F?]
发表于 08-21 01:00 ? 10次 阅读
7104A-0050 7104A-0050 即插即用加速度传感器
看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 加速度计类型?: IEPE 即插即用加速度计传感器类型?: 交流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接?: 10-32 同轴连接器 电气特征 满量程输出电压?(VDC): ±5 励磁电压?(VDC): 18 – 30 励磁电流?(mA): 2 – 10 信号特征 频率响应?(Hz): 0.3-10000 主体特性 轴数?: 1 重量?: 8.6?g?[?.303?oz?] 材料?: 不锈钢 ...
发表于 08-21 01:00 ? 12次 阅读
72162000-020 72162000-020 倾角传感器和倾角仪
看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。? 结构特性 接口?: 模拟 电气特征 电源电压?(VDC): 12 – 24 模拟接口?(mA): 4 – 20 端接特性 倾角传感器和测斜仪安装?: 垂直 尺寸 尺寸?(mm): 最多 70 倾角传感器和测斜仪精确度?(°): 最多 +/- .5 分辨率?(°): 最多 +/- .01 使用环境 测量原理?: 液体 工作温度范围?: -25 – 60?°C?[?-13 – 140?°F?] 包装特性 倾...
发表于 08-21 01:00 ? 10次 阅读
11106140-00 AST4300A05000P4P1000 压力传感器
看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 压力传感器类型?: 非易燃压力变送器 压力类型?: 测量仪 结构特性 压力端口/接头?: 1/4 MNPT 电气连接?: 10 英尺导管 电气特征 压力传感器电源电压?(V): 10 – 28 主体特性 端口材料?: 316L 使用环境 压力?: 344.73?bar?[?5000?psi?] 工作温度范围?: -40 – 80?°C?[?-40 – 176?°F?] 操作/应用 耐压范围?: 2X,最小值 ...
发表于 08-21 01:00 ? 28次 阅读
11108715-00 AST4600A02000P4W1000 压力传感器
看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 压力传感器类型?: 防爆型压力变送器 压力类型?: 测量仪 结构特性 压力端口/接头?: 1/4 MNPT 电气连接?: 导管 2 m 引线 电气特征 压力传感器电源电压?(V): 10 – 28 主体特性 端口材料?: 316L 使用环境 工作温度范围?(°C): -40 – 85 工作温度范围?(°F): -40 – 185, -40 – 185 操作/应用 耐压范围?: 2X,最小值 ...
发表于 08-21 01:00 ? 28次 阅读
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