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FMCW激光雷达科普(中):激光器、探测器与扫描

本文是FMCW激光雷达科普系列第二篇,点击超链接查阅上一篇:FMCW激光雷达科普(上):基本概念、技术路线、优势、争议和误解。

FMCW激光雷达主要由激光器、探测器、相关光路和扫描部件组成。最值得注意的是以下几点——

一.

目前,TOF以905纳米为主的激光雷达激光器,Luminar、图达通和一径科技使用1550纳米,而图达通和一径科技使用1550纳米FMCW激光雷达的激光器都是1550纳米。那么,原因是什么呢?

洛微CTO Andy Sun说:我们做任何产品,首先要看供应链的成熟度,因为你不可能自己做所有的零件。

具体到FMCW原则上,激光雷达不必使用1550nm,905nm也可以,用1550nm做还是905nm这样做,技术上没有本质区别;然而,在光通信领域,FMCW基于1550的搭配nm与波段设备相比,这些设备的供应链相对成熟,成本可控,基于905nm做FMCW成本太高了。

此外,检查连续光的人眼安全要求,1550nm的光功率上限要比905nm大40倍,在FMCW在相关放大原理下,理论上是1550nm可以比905nm测试40倍的距离。

多家FMCW激光雷达公司的创始人和技术负责人都承认供应链成熟度。

一位技术负责人说:FMCW要保证回光能和本地光进行干涉,只有干涉了才能检测到目标,因此,对激光器的“相干性”要求很高(哪怕回光和反射光之间有几微秒的时延,也有很好的相干性)。在业界,相干性比较好的激光器别被称为“窄线宽激光器”,而现阶段,窄线宽激光器只有基于1550纳米的。

此外,负责人还表示,FMCW激光雷达需要提高集成度,高集成度的多通道产品通常基于硅光,硅光只能与1550相匹配。

然而,真挚的光子IC设计总监吴磊说,他们使用的激光器是1310纳米,通信中使用的激光器非常大,非常便宜。

话说,用于FMCW用于激光雷达的激光器TOF激光雷达上的1550纳米激光器材质相同(磷化镓),但结构不同——FMCW要求窄线宽(保证自相干)和低噪音,导致性能、良率、成本完全不同。

一位从业者表示,目前,FMCW1550激光器用于激光雷达比TOF1550激光器要贵得多,国内还没有量产。

关于1550纳米激光器的优点TOF激光雷达的介绍已经提到了很多,最重要的是:不会影响眼睛的安全,所以功率可以很高,然后实现比905纳米激光器更长的探测距离。

另外,即使在TOF1550克服阳光噪声的能力也比905强。

用于1550纳米激光器的材料不是硅CMOS,它是磷化镓,还需要外部电源和复杂的电子控制装置,所以成本很高。此外,1550纳米激光器还需要昂贵的镓砷 APD配对使用。

某激光雷达厂商架构师认为,1550尽管在光通信领域中的用量已经不小了,但成本也没有降下来,因此,很难指望在激光雷达中就能降下来。

架构师说:你有几百万台之后,成本肯定会比现在的几百台低很多,但是比905贵很多。这类似于,你不能说我买了很多金戒指,它的价格可以降到铜戒指的水平。这是由材料的物理特性决定的。

(2)

大多数激光雷达制造商在与程中,大多数激光雷达制造商提到1550纳米激光器容易被水雾吸收(几毫米厚的水层可以吸收1550纳米激光器的所有能量,光通信领域的专业术语是水空吸收),难以反射,雨天难以正常工作。

不愿透露姓名的人FMCW激光雷达公司创始人

我们圈子里的人睁着眼睛说谎,说1550‘穿透能力好,抗干扰能力强’。我做了测试,往墙上泼水。在1550纳米激光器眼里,墙是黑色的,水流下来就好了。

许多实验表明,只要我们遇到两毫米的水膜,我们的FMCW激光雷达瞎了。这个问题没有解决。FMCW激光雷达只能在阴天、晴天和小雨天使用,不能在大雨天使用。

但光勺科技CEO姚建并不完全同意上述说法。姚建说:FMCW有两种相关性,一直是调频,一直是调相。如果是调频,1550纳米激光器确实会受到雨水的影响。比如检测距离从500米衰减到50米;但是我们使用的调相技术,在大雨天,检测距离可以达到平时的50%左右。

不过,某FMCW激光雷达公司CEO习先生说:在TOF1550纳米激光器易被雨雾吸收,会导致探测距离大大衰减,产生严重噪声;FMCW相关检测有用,信噪比较高,所以也用1550nm激光,激光雷达穿透雨雾产生稳定点云的能力会更强。

此外,洛微CTO Andy Sun认为只看不同波段对水的吸收率是不完整的,因为遇到雨后激光的吸收率只是一部分,很多变化都与散射和折射有关。在这两部分,不同波长的表现也不同,比如短波散射更强,要综合考虑。

Andy Sun法国科研团队在2019年做了大量的理论分析和实验,发现905nm和1550nm雨雾天两个波段的激光器性能相似-1550nm总吸收率仅为905nm不到10%。这完全是人眼安全的考虑nm可以掩盖更大出光功率的优点。

某FMCW激光雷达公司CEO习先生还提到了法国的这组实验。

但无论如何,沃尔沃和奥迪都计划使用这些已经非常保守的汽车公司Luminar基于1550的TOF激光雷达,这可能意味着在这些汽车公司眼里,1550在雨天不能正常工作,不是一个严重的问题吗?

在采访中,作者提到了一个问题:如果几辆带有激光雷达的自动驾驶车辆聚集在一起,激光同时发射,只是聚集在一起,面对人眼,那么功率很高,也应该影响人眼的安全?

对此,某TOF激光雷达制造商负责人的回答是:905纳米功率会损坏视网膜,但视网膜类似于手机感光图像像像素,激光从不同地方,影响视网膜上的不同像素,因此,即使功率高,也不会烧坏数千万像素;1550不同,烧坏,人眼对905纳米波段的敏感点905纳米波段的敏感点在于它击中像素的能量,而对1550纳米波段的敏感点在于它的总能量。

简言之,1550纳米激光器也存在人眼安全问题——激光器没有击中视网膜,但被角膜吸收。如果功率过高,角膜也会受伤。

二.

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