[技術(shù)前沿]激光雷達(dá)芯片進(jìn)入開展快車道
自動(dòng)駕駛汽車和機(jī)器人使用的傳感器將會(huì)小巧、可靠、經(jīng)濟(jì)。
世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)顯示，每年有130萬人死于交通事故。這相當(dāng)于每年失去一個(gè)布拉格城市的人口。采用由各種電子傳感器和復(fù)雜計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)駕駛汽車和卡車或許可以挽救無數(shù)的生命。盡管有大量的研究投入、長足的技術(shù)進(jìn)步，但要將這項(xiàng)具有開展前景的技術(shù)交到人們手上卻很困難。那么，自動(dòng)駕駛汽車何時(shí)才能真正出現(xiàn)在 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 身邊的車道上呢？答案部分取決于這種汽車是否要有一種被稱為激光雷達(dá)的傳感器。大多數(shù)開發(fā)自動(dòng)駕駛汽車的團(tuán)隊(duì)都將激光雷達(dá)視為實(shí)現(xiàn)安全操作所需的傳感器套件的關(guān)鍵部分，因?yàn)樗鼧?gòu)建的車輛周圍環(huán)境3D地圖的保真度比攝像頭更高。
但是，埃隆?馬斯克卻不斷在有助于特斯拉采用一種有爭議的自動(dòng)駕駛方法，即僅使用攝像頭。馬斯克在2021年發(fā)推文說：“人類駕駛使用的是眼睛和生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，所以攝像頭和硅神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)才是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛通用解決方案的唯一途徑?！贝蠖鄶?shù)激光雷達(dá)傳感器的機(jī)械性復(fù)雜和成本高（不久前，可能使每輛車的價(jià)格增加數(shù)萬美元），這無疑有助于形成了馬斯克的觀點(diǎn)。早在2016年，他就宣布“所有出廠的特斯拉汽車都具備5級(jí)自動(dòng)駕駛所需的硬件”，這意味著僅配備攝像頭和計(jì)算機(jī)的汽車就已經(jīng)具備實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛所需要的條件。
7年過去了，在經(jīng)歷了多次撞車事故之后，特斯拉仍未超越2級(jí)自動(dòng)駕駛，交通安全專家開始質(zhì)疑馬斯克拒絕激光雷達(dá)的做法。不過，使用昂貴的傳感器會(huì)減緩高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)和全自動(dòng)駕駛的推廣。但是，將這些傳感器的成本降低到汽車制造商滿意的水平，仍然是激光雷達(dá)制造商難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，他們還必須考慮如何將這些設(shè)備添加到汽車上，而不影響車輛的美觀。
作者的長距離激光雷達(dá)的工作原型機(jī)比最終的成品要大得多。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 和Analog Photonics公司（2016年拆分自麻省理工學(xué)院）的其他同事希望打破這一僵局。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 正在開發(fā)一種微小的芯片級(jí)相控陣激光雷達(dá)，有望削減成本和簡化集成。在本文中， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 將解釋所遇到的一些技術(shù)挑戰(zhàn)，以及 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 如何一步步邁向商業(yè)化。
現(xiàn)在，超過一半的新車配備了一個(gè)或多個(gè)雷達(dá)傳感器。它們屬于固態(tài)傳感器，每個(gè)成本不到100美元，而且體積小，可以隱蔽地放置在車輛上。它們有多種用途，包括自動(dòng)緊急制動(dòng)和自適應(yīng)巡航控制，以及車道保持和其他高級(jí)駕駛輔助功能。
然而情況并非不斷如此。早期的汽車?yán)走_(dá)很大，采用機(jī)械操縱方式，發(fā)射短脈沖無線電波，性能有限。但自從采用了電子掃描和陸續(xù)在波發(fā)射后，汽車?yán)走_(dá)的性能提升、成本下降，迎來了廣泛的應(yīng)用。
激光雷達(dá)現(xiàn)在正在經(jīng)歷同樣的演變。這項(xiàng)技術(shù)在2016年左右開始受到關(guān)注。10年前的美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）挑戰(zhàn)賽中，有安裝激光雷達(dá)傳感器的參賽車輛取得了成功，受此啟發(fā)，許多公司開始為自動(dòng)駕駛汽車開發(fā)定制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)往往由現(xiàn)成的元件拼湊而成。
這些第一代激光雷達(dá)只能做到這一步。旋轉(zhuǎn)鏡或掃描鏡提高了成本，并使它們難以集成到車輛中。它們的可靠性也存在問題，脈沖操作在陽光直射的情況下會(huì)出現(xiàn)問題，且容易受到相鄰激光雷達(dá)的干擾。因此，現(xiàn)有的激光雷達(dá)傳感器無法滿足汽車行業(yè)嚴(yán)格的性能、可靠性和成本目標(biāo)要求。
汽車制造商正在尋找高性能、長距離的激光雷達(dá)傳感器，且每個(gè)傳感器的成本要低于500美元。雖然激光雷達(dá)制造商已經(jīng)取得了進(jìn)步，但這個(gè)行業(yè)尚未開展到這一步。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 公司選擇正面解決這些問題，設(shè)計(jì)完全構(gòu)建在芯片上的激光雷達(dá)傳感器。這種芯片是由普通硅制成的光子集成電路，它沒有活動(dòng)部件，無需外部硬件即可產(chǎn)生、發(fā)射和接收光線。而且它的體積很小，無論造型多么漂亮的汽車都可以很容易地把它安裝到車身上。
激光雷達(dá)與雷達(dá)很像，但它的工作范圍是光譜的紅外部分，波長通常在905到1550納米之間（相比之下，汽車?yán)走_(dá)的是幾毫米）。這種波長差異使激光雷達(dá)具有更好的空間分辨率，因?yàn)閺膫鞲衅靼l(fā)出的波可聚焦得更緊密。
這張點(diǎn)云圖像是基于作者的激光雷達(dá)在一個(gè)繁忙十字路口(照片)附近取得的測量結(jié)果形成的。移動(dòng)的汽車用綠色表示，靜止的物體用藍(lán)色表示。
與大多數(shù)早期雷達(dá)一樣，大多數(shù)早期汽車激光雷達(dá)使用了所謂的“飛行時(shí)間檢測”。它發(fā)出一個(gè)電磁能量短脈沖，擊中物體后反射回傳感器，傳感器會(huì)測量脈沖完成這一往返過程所需要的時(shí)間。接下來，裝置會(huì)利用光在空氣中的已知速度來計(jì)算與物體之間的距離。這些系統(tǒng)都有一些固有的局限性，尤其是基于這種原理構(gòu)建的激光雷達(dá)容易受到陽光和來自其他激光雷達(dá)光脈沖的干擾。
大多數(shù)現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)采用完全不同的工作方式。它們并不發(fā)出脈沖，而是陸續(xù)在發(fā)射無線電波。這些無線電波的發(fā)射頻率也不是固定的，它們會(huì)在一個(gè)頻率范圍內(nèi)來回掃動(dòng)。
要理解為什么這樣做， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 需要知道當(dāng)兩個(gè)不同頻率的信號(hào)以不完全疊加的方式組合在一起時(shí)會(huì)發(fā)生什么：將產(chǎn)生兩個(gè)新的頻率，即最初混合在一起的兩個(gè)頻率的和與差。這一過程被稱為“外差法”，于1901年首次展示，此后廣泛應(yīng)用于無線電設(shè)備。
調(diào)頻陸續(xù)在波（FMCW）雷達(dá)的原理是，當(dāng)兩個(gè)不同頻率的信號(hào)以這種方式混合時(shí)，產(chǎn)生的信號(hào)頻率為前兩個(gè)信號(hào)的頻率之差。調(diào)頻陸續(xù)在波雷達(dá)在輸出信號(hào)（實(shí)際上是其衰減版本，通常稱為“本地振蕩器”）和反射信號(hào)之間進(jìn)行混頻，二者頻率不同，因?yàn)檩敵鲂盘?hào)會(huì)在一個(gè)頻率范圍內(nèi)掃動(dòng)。因此，當(dāng)反射信號(hào)返回傳感器時(shí)，輸出信號(hào)的頻率將與反射波首次離開雷達(dá)天線時(shí)的頻率不同。
如果反射信號(hào)往返時(shí)間很長，那么頻率之差就會(huì)很大。如果反射信號(hào)只需要很短的時(shí)間就能反射回來，那么頻率之差就會(huì)很小。因此，輸出信號(hào)和反射信號(hào)之間的頻率差異可以用來衡量目標(biāo)距離。
雖然調(diào)頻陸續(xù)在波系統(tǒng)比基于飛行時(shí)間的系統(tǒng)更加復(fù)雜，但它靈敏度更高，基本上不受干擾，除了測量與目標(biāo)的距離之外，還可以用來測量目標(biāo)的速度。
汽車激光雷達(dá)現(xiàn)在也采用了類似的方法。調(diào)頻陸續(xù)在波激光雷達(dá)會(huì)稍微改變發(fā)射光的頻率，從而改變它的波長，然后將反向散射光與發(fā)射光頻率上的本地振蕩器相結(jié)合。順利獲得測量接收光和本地振蕩器之間的頻率差，系統(tǒng)可以確定與目標(biāo)的距離。此外，還可以提取移動(dòng)目標(biāo)的多普勒頻移，展示目標(biāo)靠近或遠(yuǎn)離傳感器的速度。
這種能力有助于快速識(shí)別移動(dòng)目標(biāo)和區(qū)分以不同速度移動(dòng)的緊密間隔的物體。速度測量還可以用來預(yù)測其他車輛的移動(dòng)，甚至感知行人的姿勢。飛行時(shí)間系統(tǒng)無法給予這個(gè)額外維度的數(shù)據(jù)，因此調(diào)頻陸續(xù)在波系統(tǒng)有時(shí)也被稱為“4D激光雷達(dá)”。
正如你所想象的，調(diào)頻陸續(xù)在波激光雷達(dá)系統(tǒng)使用的激光源與飛行時(shí)間系統(tǒng)非常不同。調(diào)頻陸續(xù)在波激光雷達(dá)陸續(xù)在發(fā)射光，并且這種光具有相對(duì)較低的峰值功率。激光功率水平類似于許多通信應(yīng)用中使用的功率水平，這意味著光可以由光子集成電路產(chǎn)生和處理。這個(gè)微小的激光系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)芯片激光雷達(dá)的關(guān)鍵因素之一。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 設(shè)計(jì)的光子集成電路可以使用光刻法在300毫米直徑的標(biāo)準(zhǔn)晶圓上制造，就像大多數(shù)集成電路一樣。因此， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以利用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體制造業(yè)的成熟技術(shù)，將完整的激光雷達(dá)系統(tǒng)所需的各種光學(xué)組件組合在芯片上：激光器、光放大器、波導(dǎo)、分光器、調(diào)制器、光電探測器，以及 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的光學(xué)相控陣。
低倍電子顯微照片顯示激光雷達(dá)由兩部分組成:一塊硅光子芯片和一塊半導(dǎo)體芯片(上圖)。后者包含控制許多光子元件的電子設(shè)備。高倍顯微照片詳細(xì)展示了兩塊芯片之間電連接的微小銅凸點(diǎn)(下圖)
半導(dǎo)體制造的經(jīng)濟(jì)性削減了這些元件的成本。將它們?nèi)考稍趩我恍酒弦灿兄诔杀镜慕档?。你?，所有的激光雷達(dá)系統(tǒng)都會(huì)發(fā)射光和接收光，所以發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)必須很好地對(duì)準(zhǔn)。在用分立光學(xué)元件構(gòu)建的系統(tǒng)中，精密直準(zhǔn)的需求增加了復(fù)雜性、制造時(shí)間和成本。如果沒有精密對(duì)準(zhǔn)，激光雷達(dá)可能會(huì)失效。而光子集成電路具有內(nèi)在精密直準(zhǔn)的特性，因?yàn)檫\(yùn)載光的波導(dǎo)是順利獲得光刻印刷定義的。
雖然有一些公司也在努力開發(fā)基于光子集成電路的激光雷達(dá)，但只有Analog Photonics公司解決了單芯片激光雷達(dá)不需要以機(jī)械方式掃描場景的問題。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 使用光學(xué)相控陣取代機(jī)械掃描，以電子方式來控制光束方向。
掃描是激光雷達(dá)的一個(gè)重要方面，也是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。系統(tǒng)順利獲得一束或多束激光束掃描場景，構(gòu)建其周圍環(huán)境的圖像。為了快速探測和識(shí)別目標(biāo)，激光雷達(dá)必須快速掃描整個(gè)視野，以足夠高的分辨率來區(qū)分不同的物體。
最初，激光雷達(dá)傳感器掃描順利獲得旋轉(zhuǎn)傳感器或在光束路徑中引入旋轉(zhuǎn)鏡。其結(jié)果是硬件既笨重又昂貴，且往往不可靠。
雖然一些雷達(dá)采用機(jī)械方式指向它們的天線，這在機(jī)場和碼頭上很常見，但還有一些雷達(dá)使用相控天線陣列，以電子方式操縱雷達(dá)波束。這項(xiàng)技術(shù)調(diào)整每個(gè)天線發(fā)出信號(hào)的相位，使得無線電波的相互干擾在一個(gè)方向上是建設(shè)性的，而在其他方向上是破壞性的。順利獲得調(diào)整每個(gè)天線的信號(hào)相位，雷達(dá)可以改變這些信號(hào)建設(shè)性地組合形成波束的方向。
電子相控陣是汽車?yán)走_(dá)首選的波束控制技術(shù)。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 認(rèn)識(shí)到相控陣的物理特性適用于電磁波譜的所有頻率，包括光學(xué)頻率，因此決定在固態(tài)激光雷達(dá)中使用這種方法。在美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局“模塊化光學(xué)孔徑構(gòu)建模塊”（MOABB）計(jì)劃的援助下，在幾家汽車合作伙伴（尚不能透露其名稱）的幫助下，Analog Photonics公司開發(fā)了片上光學(xué)相控陣。
在這些陣列中，芯片頂部的表面既用作發(fā)射孔，也用作接收孔，這是能量離開和返回芯片的地方。片上光學(xué)移相器和發(fā)射器由定制的電子設(shè)備單獨(dú)控制，控制極窄光束的方向，光束的寬度只有幾毫米。
要取得足夠大的有效轉(zhuǎn)向范圍，需要數(shù)千個(gè)間隔緊密的移相器。例如，對(duì)于工作波長為1550納米的激光雷達(dá)，移相器必須相距1.5微米，才能實(shí)現(xiàn)60度的轉(zhuǎn)向范圍。
你可能想知道這種光學(xué)相移是如何完成的。它需要改變芯片中許多微米級(jí)光波導(dǎo)透明材料的光學(xué)特性，這些光波導(dǎo)將光從產(chǎn)生光的激光器引導(dǎo)到發(fā)射光的孔徑。如果能夠改變波導(dǎo)材料中的光速，就能改變離開波導(dǎo)光波的相位。
這兩張圖展示了現(xiàn)在正在開發(fā)的激光雷達(dá)模型的預(yù)期外觀。左圖設(shè)計(jì)用于長距離、窄視野右圖設(shè)計(jì)用于短距離、寬視野
這里的材料就是硅，對(duì)于紅外波長的光來說，它是透明的。改變硅中光速的一種方法是讓聲波穿過它，這是華盛頓大學(xué)研究人員正在研究的一種用于激光雷達(dá)的技術(shù)。另一種方法是改變溫度：硅越熱，順利獲得它的光越慢。這就是熱光移相器背后的原理。
由于一塊芯片上有數(shù)千個(gè)移相器，因此要確保每個(gè)移相器的功耗低到只有幾微瓦，這一點(diǎn)很關(guān)鍵。這在加熱的情況下很難做到。為此 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 避開了加熱需求，采用電光而不是熱光移相器。這種方法還使 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 能夠更快地改變光束方向，以超過每秒一百萬條掃描線的速度穿越視野。
盡管如此，還要克服一項(xiàng)挑戰(zhàn)，即如何將眾多緊密間隔的光波導(dǎo)與調(diào)整其中光速所需的電子設(shè)備連接起來。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 使用倒裝芯片技術(shù)解決了這個(gè)問題：一塊互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體芯片上有數(shù)千個(gè)涂有焊料的銅凸點(diǎn)，間距約為75微米，差不多是人頭發(fā)直徑的一半。順利獲得這個(gè)方案， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的硅光子芯片可以與半導(dǎo)體電子芯片實(shí)現(xiàn)永久配合，其中，半導(dǎo)體電子芯片包含所需的數(shù)字邏輯和一組相匹配的銅凸點(diǎn)。然后，對(duì)電子芯片發(fā)出簡單指令就可以驅(qū)動(dòng)數(shù)千個(gè)光子元件以適當(dāng)?shù)姆绞綊呙韫馐?/p>
現(xiàn)在，Analog Photonics公司已經(jīng)制造并向行業(yè)合作伙伴交付了全球第一批全固態(tài)光束掃描激光雷達(dá)原型機(jī)，這些合作伙伴是直接向汽車制造商給予汽車設(shè)備的公司。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 已經(jīng)解決了大部分基礎(chǔ)工程挑戰(zhàn)，現(xiàn)在專注于提高激光雷達(dá)的性能，以滿足產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 希望將 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的發(fā)明轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品，在2025年為汽車行業(yè)生產(chǎn)大量樣品。
當(dāng)下， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 正在開發(fā)兩種不同版本的激光雷達(dá)：一種是長距離版本，安裝在汽車前部，用于高速公路行駛；另一種是短距離版本，視野更廣，可給予車輛周圍環(huán)境的完整覆蓋。這兩種傳感器的光子集成電路具有不同的光學(xué)相控陣，但同時(shí)共享同一個(gè)后端信號(hào)處理機(jī)制。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 預(yù)計(jì)，最快在2024年， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 一些競爭對(duì)手（如Cepton和Luminar等公司）制造的相對(duì)低成本的激光雷達(dá)傳感器將開始出現(xiàn)在一些頂級(jí)汽車上。隨著 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 正在研究的這種低成本固態(tài)傳感器的上市，激光雷達(dá)將在這個(gè)十年結(jié)束前廣泛應(yīng)用于新車。
但是激光雷達(dá)的未來不會(huì)就此結(jié)束。市場預(yù)測者預(yù)計(jì)激光雷達(dá)將有許多其他應(yīng)用，包括工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人、移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、測量和游戲。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 和其他人在硅光子集成電路方面所做的工作應(yīng)該有助于讓那個(gè)充滿激光雷達(dá)的光明未來早日到來。
作者：Michael R. Watts, Christopher Poulton, Matthew Byrd, Greg Smolka
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