自動駕駛為基于光子學的傳感器帶來了機遇和挑戰

自動駕駛汽車中的傳感器必須解決溫度、照明、反射、導航甚至網絡安全等多種性能挑戰。

據麥姆斯咨詢介紹，自動駕駛為基于光子學的傳感器帶來了機遇和挑戰。自動駕駛汽車需要激光雷達（LiDAR）、攝像頭、雷達和超聲波等許多類型的傳感器，預計每年數百萬的自動駕駛汽車將為這些傳感器帶來巨大的市場機遇。

當然，與機遇相伴的是，挑戰也很多。攝像頭和激光雷達必須高可靠地生成安全導航所需要的數據，在各種溫度、照明水平和目標反射率下運行多年。并且，還需要在低成本下提供這種性能，好比以消費類產品的價格，提供航天產品的質量。

上圖激光雷達圖像中的顏色編碼反映強度，很容易看到車輛的黑色輪胎。這種性能對于自動駕駛很重要，因為道路上時常會出現車輛需要避讓的散落輪胎

因此，激光雷達和攝像頭供應商正在不斷創新。如果自動駕駛汽車能夠在近年內成功在大眾市場閃亮登場，激光雷達和攝像頭技術的進步功不可沒。

Yole技術和市場分析師Alexis Debray指出，對多種傳感器的需求，源于這些不同技術的不同基本功能?！皵z像頭具有良好的空間分辨率，但缺乏深度信息，”他說，“雷達具有良好的深度感知，但受限于橫向空間分辨率。而激光雷達能夠以中等分辨率實現兩者兼具?！?/p>

Debray稱，攝像頭相比雷達可以提供100倍的空間分辨率。而落在兩者之間的激光雷達，其分辨率約為雷達的20倍，攝像頭的五分之一，填補了覆蓋范圍的空白。

自動駕駛使用多種類型的傳感器，還有另一個原因?！澳蔷褪前踩?，需要從多個傳感器獲取自動駕駛需要的冗余信息，”Debray說。

因此，激光雷達和雷達都用于提供有關物體距離的信息，以及物體之間距離變化的速度信息。攝像頭可以捕捉物體的顏色和其他特征。這些傳感數據可用于將物體分類，例如被風吹起的塑料袋，或者需要避讓的行人或其他車輛，這些對于自動駕駛來說至關重要。攝像頭還可以捕捉街道交通標志、探測車道標記。

激光雷達已經首次裝配在量產汽車中進入大眾市場，盡管目前有些系統的覆蓋范圍和探測距離仍有限。然而，自動駕駛應用的激光雷達系統需要足夠高的分辨率和足夠遠的探測距離，以精確感知車輛的周圍環境。美國加州的激光雷達領導廠商Velodyne LiDAR首席技術官Anand Gopalan表示，這些要求對激光雷達系統提出了挑戰。Velodyne公司參與了全球許多自動駕駛汽車項目。

峰值功率

假設一輛自動駕駛汽車正以120公里/小時的速度在高速上行駛，在前方幾百米處出現了黑色的破損輪胎。據Gopalan介紹，輪胎的反射率約為10％，在這種情況下，激光雷達投射在輪胎上的數十億光子，只有數百個能反射回來。

“我們需要在激光器上獲得高峰值功率，”Gopalan說，“因為它可以在每次測量距離的脈沖中發射盡可能多的光子。而探測器需要高靈敏度和低噪音?！?/p>

在激光雷達圖像中顏色編碼反映強度，車道標志會“浮現”出來

這些返回的信息需要組合成距離數據的點云，然后對其進行解讀。系統可能只有一秒的時間來執行這些操作并采取某種行動，因為在高速上行駛的汽車的剎停距離可能需要近百米或更長。

Gopalan說，業內廠商已經開始為第一波自動駕駛汽車進行規劃，預計到2022年將推出幾十萬輛自動駕駛汽車。他補充說，自動駕駛所需要的傳感器在性能、可擴展性和成本方面，到時已經能夠滿足行業的初期要求。他預測，隨著銷量的增加，這些傳感器的成本將進一步下降。

將傳感器捕捉的數據通過汽車網絡發送回中央處理單元需要能耗，而分析這些數據需要更多的能耗和計算資源。因此，降低成本的一種途徑是使傳感器變得更智能，提高邊緣計算處理能力。

先進的CMOS圖像傳感器可以提供適用于新一代駕駛輔助和自動駕駛系統的分辨率，這些圖像傳感器有助于對象的分類，從而實現更安全的導航

滿足自動駕駛車輛需求的另一種方法是推出新技術。美國加州的激光雷達創業公司Quanergy Systems便提供了一個案例。Quanergy Systems首席執行官兼聯合創始人Louay Eldada稱，該公司的核心專長在于光學相控陣技術。

通過數千個光學天線元件之間的干涉，該公司的芯片可以在不使用任何運動部件的情況下形成并偏轉光束。據Eldada稱，Quanergy的激光雷達產品比同等性能的機械式激光雷達更小、更可靠。并且，這種系統功耗更低，可以用高幀率的低強度激光覆蓋周圍環境。

“這是一種紅外激光束。我們的工作波長為905 nm，因為我們希望發射器和接收器等所有芯片都采用硅材料和工藝，”Eldada說。

多激光雷達組合應用

Eldada指出，每輛車上可能需要多個激光雷達。自動駕駛汽車必須能夠精確地“看到”周圍的一切，汽車制造商希望刷新率能夠達到50 fps，而單個激光雷達很難實現。如果激光雷達傳感器的安裝位置不影響車身設計，則意味著車輛本身將會阻擋傳感器的部分視線?！耙虼?，每輛自動駕駛汽車將需要3~5個激光雷達，”Eldada說，“其中，4個是最優的組合。因而每個激光雷達的價格需要降到數百美元區間?！?/p>

加拿大激光雷達創業公司LeddarTech則帶來了另一種達到成本和性能目標的方案。LeddarTech總裁兼首席執行官Frantz Saintellemy表示，該公司開發了自己的核心傳感技術，并為客戶提供如何為汽車應用構建激光雷達系統的完整解決方案。

LeddarTech基于信號采集和處理技術，可以使返回脈沖捕捉更多信息。據Saintellemy介紹，這可以用更低的成本獲得可接受的產品性能。例如，該公司的參考設計能夠使用905nm激光器和探測器達到數百米的探測距離，該波長的激光器和探測器比1550nm器件性能低，但成本低得多。

“今天我們選擇專注于905nm波長，因為這是目前更實際可行的技術方案，”Saintellemy說，“隨著1550nm技術變得更加標準化，我們可以通過選擇1550nm技術方案來顯著提高我們的產品性能。但是，現在我們并不需要利用它來實現當前所需要的性能?！?/p>

多攝像頭組合應用

據Yole稱，每輛自動駕駛汽車或將裝備10個以上的攝像頭，而目前汽車中一般只有2~4個攝像頭。更重要的是，與當今最先進的汽車相比，未來自動駕駛需要的攝像頭必須具有更低的噪聲、更好的校準性能和更強大的堅固性。

“用于自動駕駛汽車的攝像頭與工廠中用于機器視覺的攝像頭類似，”Debray說。

OmniVision Technologies（豪威科技）汽車營銷負責人Andy Hanvey表示，攝像頭的分辨率最初為2~8 MP，之后將升級到更高的分辨率。更好的成像能力可以帶來很多優勢。

“隨著分辨率的提高，可以使攝像頭能夠更遠地看到并更快地檢測到障礙物或危險，”Hanvey說，“越早感知危險，對于自動駕駛汽車來說非常重要?！?/p>

對于堅固耐久性的要求，一方面是因為自動駕駛車輛未來在路上行駛的時間將更長?，F在，普通汽車通常每天有22~23個小時是閑置在車位上的。自動駕駛汽車可能會刺激乘車共享的發展。如果是這樣，使用和閑置之間的比例可能會翻轉，全自動駕駛汽車每天可能要運行20多個小時。

“這要求傳感器具有更高的可靠性，就像工業或商業設備必須比消費類設備更加堅固、耐久，”位于美國鳳凰城的芯片制造商ON Semiconductor（安森美半導體）汽車傳感部門市場營銷高級主管Geoff Ballew說。ON Semiconductor是汽車圖像傳感器領域的領先供應商。

此外，可靠性還需要網絡安全。惡意攻擊自動駕駛汽車可能導致致命的結果。業界正在通過標準機構解決這個問題。Ballew表示，ON Semiconductor已經將其建議的功能納入其傳感產品中。

據Ballew稱，多達20種不同分辨率的攝像頭最終可以安裝在自動駕駛汽車中。這個數量級的攝像頭可以覆蓋幾乎所有視角，確保車輛能夠充分看到周圍發生的所有狀況。同時，成像必須足夠清晰，以便處理器可以將攝像頭圖像與其他傳感器報告的信息組合，決定并快速采取行動。

“關鍵是要對汽車進行360°覆蓋，視野中的任何部分都至少有一個攝像頭覆蓋，并且具有近距離和遠距離覆蓋范圍，使汽車每個角度都有覆蓋冗余。