December 21, 2020

为什么说数字激光雷达是未来

当我们在2015年成立Ouster的时候,之前制造激光雷达的经验使得我们对如何设计激光雷达有了独特的见解:在任何时候,市场总是需要高性能、可靠且价格可接受的传感器,但是,在给定的时间点满足市场需求仍不足以赢得一个日趋成熟的行业。 激光雷达行业是一个日趋成熟且不断变化的行业,市场对其性能和成本的要求也在不断提高。当时在2015年的时候我们就意识到,激光雷达行业的长期赢家需要做的不仅仅是满足客户当前的需求,还需要满足他们未来的需求,需要不断稳步提高性能、降低成本,以跟上客户的步伐。这也是我们研发数字激光雷达技术的初衷。

目前,我们的数字激光雷达已经实现了高性能、高可靠性和低成本,且获得了相关专利,更重要的是,我们自研的CMOS芯片确保了数字激光雷达的性能能够在未来很多年内稳定持续的提升。本文我们将更深入地解析数字激光雷达技术独有的特性,以及如何实现激光雷达的摩尔定律。

Ouster数字激光雷达架构:简单且强大

Ouster的产品均基于同一个核心数字激光雷达技术 :一个以两块芯片为基础的简单架构。这一架构成功的取代了传统模拟激光雷达中的数百乃至数千个零部件。 总体来说,我们的架构中包括了三种集成技术、两块芯片和一套微光学元件:

  • 单光子雪崩二极管(“SPAD”)探测器定制片上系统(SoC)
  • 垂直腔面发射激光器(“VCSEL”)阵列
  • 已有专利的微光学系统

VCSELs和SPADs已经广泛的应用于除激光雷达以外的市场,例如智能手机、医疗设备、电信基础设施等。尽管该技术相对较新,但由于其成本低、易量产且稳定可靠,因而仍然被多数行业所选择与应用。之所以之前没有人在激光雷达中使用这项技术,是因为大家都无法解决高分辨率激光雷达的探测距离问题。当时在2015年,应用VCSELs和SPADs的激光雷达的探测距离仅能达到数米,无法成为可行的解决方案。但与此同时,这些核心组件VCSELs和SPADs正在持续高速发展。

我们在2015年所看到的是一个重新设计激光雷达的机会,将VCSEL和SPAD技术,与我们高效的新型微光学元件相结合,制造出一款能够满足客户性能需求的高分辨率数字激光雷达。

最终,于2018年,我们成功推出了一款低成本、芯片化的数字激光雷达。得益于VCSELs和SPADs在过去几年中的不断改进,我们才能制造出低价格、高度可靠、拥有高分辨率和200m+探测距离的数字激光雷达,且未来仍将持续提升。

digital lidar integrated technologies

集成SPAD的定制片上系统(SoC)

由Ouster自主研发的片上系统 (SoC) 已经以CMOS工艺实现量产,每秒可计数超过1万亿个光子(是否检测到光子输出为1和0),同时可控制激光雷达的逻辑和信号处理。由于SPADs具有单光子灵敏度、低噪声和极佳的时间分辨率等特点(抖动值在10 ps和100 ps之间),因此它们能够检测并标记到激光雷达中的超短激光脉冲。这种优势使得我们的片上系统能够检测到更远处目标的相对较弱的激光脉冲。

Ouster Lidar SoC Progression

除了SPADs的优点,我们同时也要指出SPAD目前存在的一个缺点,即较低的光子探测概率(“ PDP”)。光子探测概率是用于衡量光传感器效率的一个标准,即传感器在被单个光子撞击时能够将此记录为一次返回的概率。传统模拟激光雷达所使用的雪崩光电二极管(“ APD”)是一项已经成熟的技术,在探测效率上没有太大的改进预期。SPAD虽然在目前可能存在PDP较低的情况,但改进空间巨大。今天,我们激光雷达的探测距离为200m,随着SPAD技术的改进,其探测距离将不断提升。

最大化VCSEL的优势

我们数字激光雷达系统中的第二个关键部分是VCSELs阵列。 我们之所以使用VCSELs,是因为相对于传统模拟激光雷达中的边缘发射激光器,VCSELs更小、更轻、更耐用、更高效且成本更低。 VCSEL技术在物理和经济角度的关键优势是能够将激光器成功封装成一个密集阵列,例如我们现有的激光雷达上搭载的阵列将128个激光器封装到了一个米粒大小的区域上。更重要的是,VCSELs的成本并不会随着激光器数量的增加而线性增加。如今,这种高密度阵列不仅帮助我们实现了激光雷达的高分辨率、低成本和小体积,而且在保持激光雷达体积不变的情况下,仍然为我们提供了足够的增加激光器数量的空间。

微光学元件创造更高的性能

第三个重要部分是我们已经获得专利的微光学元件,用于增强发射器和探测器的性能。该光学系统可有效地引导光线通过激光雷达,从而将探测器的效率提高多个数量级。效率的提升对于我们激光雷达的性能来说很关键,下文我们会再讲到这一点。

技术的统一与沿用

SoC、VCSELs和微光学元件是Ouster所有激光雷达产品的基础。这些通用组件构成了一个我们所谓的“基础款”的数字激光雷达,然后再定制成不同的视场角、探测距离、分辨率,甚至是固态激光雷达。

Ouster's digital lidar optical module help the OS0, OS1, OS2, and ES2 be configured into 75+ unique configurations

就像我们熟知的数码单反相机一样,我们仅通过替换镜头就可以改变相机的部分参数,从而满足不同的用途。同样的,例如Ouster的OS0和OS1数字激光雷达,它们具有完全相同的外形尺寸和核心组件,仅光学元件不同,就可以成为不同性能的两款产品。通过这种方式,我们成功地降低了供应链的成本,同时还能灵活的满足客户对产品的不同需求。

Ouster sensors with 45 or 90 degree field of view

传统模拟激光雷达:性能与成本的交换

与Ouster简单的数字激光雷达架构相比,传统模拟激光雷达包含了数百个甚至数千个零部件,这固有的复杂性几乎没有给未来性能的提升留有任何空间。

上图是一张来自于传统模拟激光雷达基础专利文件中的示意图,该图显示了单个通道中包含的所有组件。其中,零部件的数量与通道的数量呈线性关系,即增加1个通道需要增加1个发射器PCB、1个边缘发射激光器、1个激光驱动器、1个接收器PCB、1个接收器APD、1个ADC,以及更多其他部件。

为了制造一个能正常工作的传统模拟激光雷达,需要将这些零部件像上图一样堆叠在一个设备中。上图显示的是一个32线的传统机械旋转式激光雷达,仅仅将通道数量增加至32个就极大地增加了技术和机械的复杂性、制造的成本,同时还降低了可靠性。

复杂的体系结构是传统模拟激光雷达性能与效率提升最大的限制。零部件一增加,成本就会增加、体积会更大、重量更重、潜在故障点更多即可靠性更低。 了解更多, 查看线上视频

对未来持续提升的承诺

另一种常见的激光雷达技术路线是MEMS,这一路线有望提高可靠性,但却面临着与传统模拟激光雷达类似的可扩展性的问题。MEMS通过使用非常小的振镜来控制激光束来提高可靠性。 但真正的可靠性改进程度仍有待证明,因为即使是很小的振镜也会受到冲击和振动问题的影响。 对于MEMS来说,提高性能是其未来需要面对的更大问题。

为了提高分辨率,MEMS的厂商必须在其激光雷达系统中增加另外的激光束。 但振镜本身非常小,增加另外的激光束非常困难,从下图就可以看到。 因此,唯一的方法就是增加整个MEMS或者激光单元的数量。 目前有相关厂商在做类似的尝试,可内部零件数量一旦增加,成本和可靠性会成为非常大且难以克服的问题。

Source: https://patents.google.com/patent/US10107915B2/
Source: https://patents.google.com/patent/US10107915B2/

1550nm波长:测距的暴力增长

目前有两种方法可以使激光雷达获得更远的探测距离:使用更大功率的激光或更灵敏的检测器来提高效率。 目前市场上也有使用1550nm的厂商,激光功率被大幅提高,且仍然在人眼安全的范围内。

更高的功率能够帮助探测到更远的物体,但是未来增长的空间有限,更无法像CMOS路线一样遵循摩尔定律进行性能提升。 我们看到这一领域的创新集中于降低成本上。 我们看到一些新进入者通过硅光子学进行降本,将1550 nm激光系统集成到芯片上,但这种集成获得的好处是一次性的。 随着时间的推移,为了进一步提高分辨率或探测范围,仍然需要寻找不同的技术路线从头开始重新设计这些系统。

对未来持续提升的承诺

Ouster的数字激光雷达诞生于这样的构想,如果我们能够将激光雷达中所有的重要功能都整合到半导体中,那么就相当于把激光雷达放置到了一条其他产品均不具备的价格/性能改进曲线上,即Ouster数字激光雷达的价格/性能将随着摩尔定律提升。

大家可能疑惑,既然VCSELs和SPADs有这么多优势,那为什么不是所有人都应用它们? 因为使它们真正发挥作用确实非常困难。在2015年我们首次开始研发数字激光雷达时,即使是当时最先进的探测器和激光器,也仅能制造出探测距离为数米的激光雷达。凭借我们强大的研发能力和持续的努力, 如今我们的长距激光雷达OS2已经可以探测到200m外的物体。随着时间的推移和技术的发展,OS2的探测距离将更远,其成本乃至于我们所有的激光雷达成本都将更低。

在Ouster,我们的愿景是使激光雷达的解决方案能够应用于未来生活和工业的方方面面, 并为每个行业提供高性能、低价格的3D感知能力。我们相信数字激光雷达技术将最终帮助我们实现这一愿景。