廣州虹科電子科技有限公司 徐嘉隆 蓋世汽車綜合2021-4-12 15:25:41
“基於MEMS技術的激光雷達傳感器通常價格較低，但其性能不足以用於自動駕駛車輛。”我們經常聽到這樣的説法。本文將説明我們的傳感器如何使這一假設失效，我們如何為激光雷達開發MEMS技術，如何為激光雷達找到理想的鏡面尺寸以及決定因素。
激光雷達應用在自動駕駛車上，必須滿足兩個基本要求：一方面，提供高性能，包括遠距離和寬視野。另一方面，必須具有可量產性，以便能夠生產和安裝在數百萬輛汽車上。激光雷達製造商想了一系列的辦法來應對這些挑戰。機械式激光雷達系統是目前最常用的系統，電機轉動從而帶動光束偏轉單元。儘管機械式激光雷達擁有廣闊的視野和遠距離探測的特性，但它們的機械裝置需要定期維護，而且體積大、重量大、生產成本高。總體來説，機械式激光雷達只滿足高性能這一個要求。
另一種應對這些挑戰的是MEMS（微電子機械系統）技術。這種技術，組件是用硅來製造的，具有可量產的優勢：由於這項技術經過多年的應用和測試，所有組件均可以以經濟高效的方式大量生產。
基於MEMS技術的激光雷達是如何應對高性能這一挑戰的呢？
選擇合適激光源，實現遠距離探測
要想讓自動駕駛車能夠高速安全行駛，它們必須能夠“看見”並感知周圍的世界——不僅是近處，而且在更遠的距離也應如此。在高速公路上行駛時，這一點尤為重要，因為車輛行駛速度很快，因此必須要可靠地檢測到遠距離的物體、彎道和其他車輛，以便能夠及時作出反應。因此，傳感器需要檢測到遠距離才能在高速公路上實現自動駕駛。
為了使激光雷達傳感器達到這個探測距離，發射器或探測器都需要專門針對這一應用進行優化。首先可能調整的是激光源。通常，應用到激光雷達傳感器的激光源波長有兩種。一些雷達製造商採用波長為1550納米的光纖激光器。人眼視網膜不會聚焦這種波長的激光，因此即使在高能量水平下，也符合人眼安全標準。這類型激光雷達的激光源能量越高，探測距離也就越長。然而，這種類型的激光源也有一個致命的缺點：1550nm的激光器體積大、製造複雜，導致激光雷達外殼尺寸較大並且成本很高。
故此，許多激光雷達應用都使用激光脈衝發射波長為905nm的激光二極管。它們的顯著優點是體積很小，並且很早之就已經在其他領域廣泛應用。實際上，這些二極管價格低廉，能夠在市場上大量購買。然而，人眼安全法規要求二極管的光束強度要低於1550nm激光器的光束強度，因此在發射極側的優化受到限制。
那麼如何優化探測器呢？孔徑在實現遠距離探測中起着重要作用。在基於MEMS的設計中，孔徑與鏡面尺寸相對應。為了捕捉儘可能多的光，需要一個大的光圈——換句話説，就是一個儘可能大的鏡子。然而，鏡片的尺寸也受到某些因素的限制，因此有必要結合考慮這些因素，計算出鏡片的最佳尺寸。這些因素包括：接收光子數、準直、偏轉角、共振頻率。
光子數
一方面，在激光雷達中使用的鏡片的大小取決於必須發射多少光子才能有足夠數量的光子返回，從而探測到目標。可以根據鏈路估值精確計算最小光子數。這一測量需要考慮通過這段距離和通過低反射表面損失光子數、光的均勻散射以及探測器的效率。通過這種方法，就有可能計算出必須發射多少光子，或者孔徑多大，才能再次檢測到最小數量的光子。除此之外，傳感器採用同軸設計，這意味着只有從發射的同一方向返回的光才能被重新捕獲。對於傳感器來説，這是有利的，可以防止捕獲到其他的干擾光信號。
激光準直
為了獲得高分辨率數據，可靠地識別小目標，激光必須準直地擊中目標。這是通過在激光器前面放置一個透鏡來實現的。現在，鏡片的尺寸又起作用了：鏡片必須足夠大，足以偏轉所有被透鏡準直的光。
共振頻率
MEMS反射鏡以一定的諧振頻率振盪。它們由集成執行器觸發，因此不需要電機或任何其他機械裝置。這是一個明顯的優勢，因為電機和運動部件很快就會磨損，需要定期維護。如果振盪是由集成執行器觸發的，則不會出現這些問題。反射鏡的共振頻率取決於反射鏡的尺寸和安裝方式。為此，我們開發了一種嵌入反射鏡的專有技術，以便能夠使用特別大的鏡面尺寸。由於直徑非常大，大量的光子直接進入周圍環境並返回到探測器上。這使得激光雷達傳感器能夠實現精確的遠距離探測。此外，由於尺寸較大，這些鏡片比直徑只有幾毫米的傳統產品更耐用。虹科激光雷達中使用的反射鏡因為其結構輕巧，具有很高的諧振頻率，這確保了儘可能多的光子返回探測器：如果反射鏡振盪過快或者過慢，因為同軸結構的存在，探測器依然能夠接收到足夠數量的光子。
專為激光雷達應用定製設計的MEMS技術
總之，鏡片的尺寸是由一系列因素決定的。為了製造基於MEMS的高性能激光雷達，必不可少需要對反射鏡組成成分、尺寸和嵌入方式等方面進行研究。只有將MEMS技術與激光雷達應用結合起來，才能實現遠距離、寬視場和高分辨率的要求。