激光雷达,谁会胜出(下)

佐思产
2018/2/7 14:06:03

 最后再来看单光子,先看MPPC。



上表为集中光电检测元件对比


2006年,日本滨松公司在国际上首先实现了MPPC的商品化。近10年以来,意大利的ITC-irst,爱尔兰的SensL公司以及加拿大的Zecotek公司陆续实现了MPPC的商品化。



上图为多家MPPC公司的显微镜照片,日本滨松优势明显



“MPPC”——MultiPixel Photon Counter(多像素光子计数器),这个命名是从工作原理角度出发得来的。工作电压(盖革区) 在盖革模式(即单光子模式)下,光生载流子通过倍增就会产生一个大的光脉冲,而通过对这个脉冲的检测,就可以检测到单光子。将盖革模式下的APD上连接一个淬灭电阻作为1个像素,就构成了MPPC的基本单元。相比APD,MPPC的增益可达到105-106,这样在理论上,可以在更短的时间内得到更长的距离信息,探测带宽也与APD不相上下。另外,拥有小有效面积、更多像素结构的MPPC不仅具备较快的时间特性(上升时间仅1ns左右),还可利用它独特的光子分辨能力,将不同表面反射率的物体识别出来,从而达到测距同时分辨物体表面特性的目的。


再来说光束角,光束角也在一定程度上决定有效距离,使用MEMS的激光雷达光路复杂,光束角都很大,一般是10mrad以上,Flash型激光雷达一次成像,光路简单,光束角比较小,可以做到1mrad,单光子也是一种Flash型激光雷达。Velodyne HDL-64的光束角为8mrad。



激光雷达成像的方式有两种,一种为线扫描方式,另一种为凝视方式。线扫描采用时间延迟积分(TDI)技术,通过串行方式对电信号进行读取;而凝视型系统则直接形成一张二维图像,采用并行方式对电信号进行读取。凝视型成像速度比扫描型成像速度快一种为线扫描方式。


线扫描一般分电子与机械两种,机械方式就是传统的机械激光雷达。电子方式是用激光发射阵列(VCSEL)依次发射激光,经透镜变换为水平宽垂直窄的波束,形成类似机械扫描的效果,如图中的激光发射阵列,从上到下依次为8个,近似于8线机械扫描激光雷达。



还有一种MEMS扫描。单个激光发射的光束经MEMS镜高频单轴扫描,光束经过漫反射镜变为水平很窄的垂直波束,扫描镜来回轴向振动,就形成多线扫描的效果。这种方式只需要一个激光发射器,成本低。但光学系统比较复杂。



凝视成像再分两种,一种为线性或盖革模式APD(即单光子)的直接测距型,实时性好,缺点是分辨率取决于阵列尺寸,低端的只有16个阵列,一般线性APD阵列为128像素,不过目前已经有1024*1024的阵列。另一种用传统的CCD或CMOS图像传感器这种阵列光强传感器获得强度图,再将强度图解调获得距离信息。


博世投资的Tetravue和我国的光铂是这种方式的典型代表。由于传统的CCD或CMOS图像传感器光电转换效率远低于APD,所以在工业和军事领域这种方式一般会增加像增强器,这就导致功耗大增和体积庞大。


单光子DSPAD型激光雷达,车载DSPAD激光雷达,丰田早在2010年就开始研发,2014年和2015年均有产品问世。



尽管在2017年丰田TRI投资了Luminar,但这并不意味着丰田放弃了单光子,在2017年底,丰田中央研究院发表了有关单光子激光雷达的论文SPAD DCNN:Localization with Small Imaging LIDAR and DCNN,文中低调地提到了丰田的第三代单光子激光雷达。



第三代单光子激光雷达参数如下



显然这个参数很糟糕,主要问题是丰田独自研发SPAD芯片,因为SPAD可以说是激光雷达的核心,丰田坚持要自己掌握。丰田也与普林斯顿光波所合作,普林斯顿光波所提供了非常优秀的1550纳米的SPAD,每秒高达1000万点,几乎是VelodyneHDL-64E的5倍,同时脉冲宽度可以做到1纳秒,至少是HDL-64E的5倍。




单光子激光雷达最大阻碍是其在军事领域作用强大,在盖革模式下,雪崩二极管接收到一个光子的话,就会发生雪崩现象,使电流达到最大值,这个过程一般是瞬态的(一般不到1ps),这样就可以在极短的时间内对光子进行计数。利用计数器可以直接生成数字信号,进而得到3D图像,同时也能够准确测定距离。由于其灵敏度极高,探测距离理论上可以非常远,上千公里都不成问题,这点在军事上非常有价值,F-22、B-2等飞机高超的隐身性能,几乎使现役雷达和光电探测系统变成“瞎子”。但单光子探测系统极高的探测灵敏度,即使对F-22、B-2这样的隐身飞机,作用距离也可达到几百到几千公里,可在极远距离上发现隐身飞机,使其“无处遁形”。


利用空中平台或临近空间平台配装单光子探测系统,构建单光子探测网络,只需几部单光子探测系统就可实现对领空的全域覆盖。在此基础上用地面或空中远程导弹构建空中地面联合火力网,把单光子探测网络作为网络中心战的目标探测网络系统,可对任何位置(地面或空中)发射的导弹进行目标指引,有效攻击全球目标。这足以改变人类空战模式乃至战争模式。因此,各国政府都将单光子激光雷达视为最高机密。对民用领域的应用非常谨慎。


目前的大部分固态激光雷达都会是过渡产品,未来胜出的会是单光子激光雷达。意法半导体、丰田,博世投资的Tetravue和中国光铂的前景看好,大陆的Flash激光雷达可以向单光子激光雷达迁移,未来前景也不错。


使用VCSEL的Leddartech的激光雷达成本最有可能在2019年就达到每千个200美元,1万个或许可以低于100美元甚至80美元,不过只适合用于近距离,信噪比不高,但价格很有竞争力,或许会有一席之地。德尔福和麦格纳非常有投资眼光。Quanergy前端的OPA有物理局限,信噪比难以提高,但后端用SPAD,信噪比提升不少,也有一些机会。通用收购的连续波相干型激光雷达,信噪比比非相干型略高,但是实时性不佳,有效距离比较短,做近距雷达或许还有一席之地。


综合来看,传统汽车厂家和Tier 1胜出机会最大。


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