SiLC的FMCW激光雷達(dá)技術(shù)

機(jī)器視覺是許多現(xiàn)實世界應(yīng)用中的基本特征，它使機(jī)器能夠感知和覺察周圍的世界。SiLC Technologies, Inc.（SiLC）推出了Eyeonic視覺傳感器，向更廣泛的市場提供連續(xù)的視覺和芯片級集成。SiLC的最新視覺傳感器通過提供雙偏振強(qiáng)度信息，同時能夠抵御多用戶和環(huán)境干擾，將激光雷達(dá)的性能提升到一個新的水平。

車廠正在引入越來越先進(jìn)的ADAS解決方案，目的是有朝一日達(dá)到L4自動駕駛。另一個具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用是自主機(jī)器人，機(jī)器視覺引導(dǎo)機(jī)器人穿過倉庫，避開路徑上的所有障礙物，以此來改善物流鏈。

機(jī)器視覺解決方案需要先進(jìn)的傳感器，能以實時行為獲取數(shù)據(jù)，在固件或硬件層面進(jìn)行處理，并為決策算法（最終基于AI）提供高級信息。適用于汽車和機(jī)器人機(jī)器視覺應(yīng)用的傳感器技術(shù)的例子是雷達(dá)和激光雷達(dá)。在這篇文章中，我們將介紹SiLC開發(fā)的一種新穎的激光雷達(dá)技術(shù)，依靠相干的傳感器來實現(xiàn)汽車、機(jī)器人和工業(yè)應(yīng)用的4D視覺。

Eyeonic視覺傳感器于2021年12月推出，并在CES 2022上展示，它是一種FMCW（frequency modulated continuous wave）激光雷達(dá)，不僅可以提供深度信息，還能提供速度和偏振強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

SiLC的業(yè)務(wù)發(fā)展和營銷副總裁Ralf Muenster在接受采訪時說：“創(chuàng)新之處在于，第一次有人真正將實現(xiàn)相干視覺傳感器所需的所有光子學(xué)功能集成在一個芯片上。”

Eyeonic傳感器是基于FMCW方法，它在技術(shù)上比傳統(tǒng)的激光雷達(dá)更復(fù)雜，但提供了額外的功能，并能將系統(tǒng)縮小到芯片級規(guī)模。Eyeonic是第一個商業(yè)化的芯片集成的FMCW激光雷達(dá)，它的體積小，甚至可以滿足最嚴(yán)格的低成本和低功耗標(biāo)準(zhǔn)。

下圖顯示了傳感器的內(nèi)部，它將一個超低線寬的激光器、一個半導(dǎo)體光放大器、鍺探測器和光路（波導(dǎo)）整合到硅光子芯片上。

SiLC的Eyeonic傳感器與其他類似的競爭解決方案不同，后者需要2、3個甚至4個芯片，并要求它們用某種耦合光學(xué)器件或光纖連接。Muenster說：“此外，每次你這樣做，都會損失3-10分貝，你真的負(fù)擔(dān)不起，因為光子很珍貴，你不想浪費它們。”

與傳統(tǒng)激光雷達(dá)的另一個顯著區(qū)別是在系統(tǒng)層面上安裝該設(shè)備所使用的技術(shù)。通過使用ToF技術(shù)，目前的3D視覺系統(tǒng)依賴于波長905nm的高功率激光器和高靈敏度的探測器。這些技術(shù)的早期版本已經(jīng)非常成功，足以在自動駕駛測試中進(jìn)行早期部署。然而，昂貴的制造工藝限制了其分辨率和成本效益。此外，人眼安全問題也限制了它們的探測距離，而多用戶串?dāng)_可能會限制它們的廣泛采用。

基本上，基于ToF的傳感器發(fā)射一個或多個激光脈沖，等待它們返回探測器，然后計算往返時間，大概可實現(xiàn)厘米級的精度，或大部分只是幾厘米精度。

Muenster說：“有些人對ToF很感興趣，因為950nm的波長需要容易制造和低成本的CMOS探測器。然而，這種解決方案需要多個芯片，這些芯片必須非常小心地對齊。”

為了解決人眼安全的監(jiān)管問題，并允許在多用戶干擾較少的情況下進(jìn)行批量實施，人們普遍認(rèn)為應(yīng)轉(zhuǎn)向1550nm波長的FMCW技術(shù)。由于費用和所需組件的數(shù)量，這種方法在過去沒有得到廣泛使用。

據(jù)SiLC稱，其硅光子集成平臺是一個具有成本效益的解決方案，利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝將所需的所有高性能元件組合到一個硅芯片中；從而形成一個低成本、緊湊和低功耗的解決方案。芯片制造使復(fù)雜的小工具和技術(shù)能夠以較低的成本得到大量的擴(kuò)展。

FMCW是一種廣泛用于相干多普勒雷達(dá)的技術(shù)。有了它，一個FMWC就可以隨時間的推移進(jìn)行傳輸。然后，當(dāng)返回脈沖回來時，可以計算出發(fā)射和接收脈沖之間的頻率差（偏移）。由于多普勒效應(yīng)，該偏移是被探測（反射）物體的距離和速度的函數(shù)。這就是相干激光器的工作原理。

FMCW有很多優(yōu)勢。首先，它可以在任何照明條件下工作，并且不受環(huán)境干擾和串?dāng)_的影響。這意味著它不能通過用鏡子將陽光直接反射到傳感器的中心而被破壞。即使在很遠(yuǎn)的距離，其精度也非常高（毫米級），而且也可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測。

另一個FMCW的關(guān)鍵因素是在相同探測距離下與ToF相比所需功率要小得多。由于其相干性，Eyeonic傳感器增加了提供目標(biāo)速度的瞬時測量的能力，實際上成為了一個真正的4D傳感器。此外，SiLC還提供雙偏振強(qiáng)度，除了芯片集成外，還能進(jìn)行材料識別和表面分析（見下圖）。

Muenster說：“速度可以讓機(jī)器視覺系統(tǒng)在檢測到的物體周圍畫出輪廓，而偏振強(qiáng)度可以幫助確定該物體是什么。由于你有一個速度矢量，你已經(jīng)知道物體接下來會在哪里。因此，你不必通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練來推斷這些信息。”

SiLC的解決方案與掃描器也是無關(guān)的，這意味著它可以與任何類型的掃描器一起工作。幀率和分辨率是完全可配置的，取決于具體的應(yīng)用。

Eyeonic傳感器提供尾纖和無纖兩種配置。前者通過支持FMCW激光雷達(dá)收發(fā)器和掃描單元位于不同位置的配置，實現(xiàn)了設(shè)計的靈活性，而后者在緊湊型配置中具有最低的成本。

從2022年二季度開始，SiLC的Eyeonic視覺系統(tǒng)將提供給戰(zhàn)略客戶，它將提供一個完整的視覺系統(tǒng)，使系統(tǒng)集成商和終端用戶能夠輕松、快速地評估。它將是市場上可用的緊湊而強(qiáng)大的FMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)，具有廣泛的配件，以適應(yīng)任何客戶的應(yīng)用。

[參考文章]

FMCW LiDAR Empowers 4D Vision in Robotics and Autonomous Vehicles — Maurizio Di Paolo Emilio