Durante mucho tiempo, nuestra discusión sobre la "hoja de ruta técnica" de LIDAR se ha centrado en "cómo clasificar ToF LIDAR según la arquitectura de escaneo", pero ha ignorado una clasificación de dimensiones superiores: basada en métodos de rango. LIDAR se puede dividir en dos categorías: ToF y FMCW.
Excepto por las similitudes en las lentes ópticas, se trata de dos categorías casi completamente diferentes. Se puede decir que la clasificación de TOF y FMCW es mucho más importante que la llamada clasificación de "rotación mecánica, MEMS, espejo giratorio, prisma y Flash".
A juzgar por la información pública, a partir de ahora, existen aproximadamente dos fuerzas involucradas en la investigación y el desarrollo de las empresas lidar FMCW:
1. Empresas que se han centrado en la ruta FCMW desde el principio, como Aeva, Mobileye, Blackmore, LightIC, Strobe, Analog Photonics, Baraja, Scantinel Photonics, Bridger Photonics, Insight LiDAR, SiLC, OURS, Guangshao Technology, Guangbo y Luo Micro, microfuente de fotones, etc.;
2. Waymo, Hesai, Huawei y otras empresas que actualmente se centran en la ruta ToF.
Curiosamente, casi todas las empresas establecidas después de 2017 no fabrican productos TOF, sino que siguen la ruta FMCW desde el principio. Porque, en opinión de estas empresas, la ruta TOF ha sido madurada por las empresas pioneras y no hay muchas oportunidades para que lo hagan nuevamente; además, las limitaciones inherentes de la ruta tecnológica TOF también requieren una nueva tecnología. ruta para "hacer las paces".
Sin embargo, a pesar del gran número de participantes, según Yao Jian, director ejecutivo de Optical Spoon Technology, en un discurso hace unos meses, actualmente las únicas empresas que pueden proporcionar prototipos lidar FMCW a nivel mundial son Aeva, Blackmore, Optical Spoon, etc. Algunos.
El concepto de FMCW puede fácilmente dar a las personas una sensación de "conciencia poco clara", pero a excepción de unos pocos practicantes, el mundo exterior sabe muy poco sobre el lidar de FMCW.
En septiembre, "Nueve capítulos de conducción inteligente" leyó más de 100.000 palabras de información pública sobre FMCW lidar y clasificó docenas de preguntas basadas en esta información y luego, con estas preguntas, discutió con Yao Jian, director ejecutivo de Light Spoon Technology. Seis expertos de la industria, incluido Andy Sun, CTO de Luowei, y Wu Lei, director de diseño de Zhisen Photonics IC, mantuvieron intercambios profundos y compilaron esta serie de "artículos de ciencia popular" sobre FMCW lidar.
Durante el proceso de entrevista, "Nine Chapters Smart Driving" descubrió un fenómeno interesante: los profesionales aún no han llegado a un consenso total sobre algunas cuestiones básicas sobre FMCW.
uno. Definición de lidar FMCW
El nombre completo de FMCW es Onda continua de frecuencia modulada, que se traduce al chino como "Onda continua de frecuencia modulada" y es un principio de alcance LIDAR en comparación con TOF. Por lo tanto, antes de hablar sobre FMCW, presentemos brevemente TOF.
El principio de alcance de TOF (el nombre completo es Tiempo de vuelo, el nombre chino es "Método de tiempo de vuelo") es calcular la distancia multiplicando el tiempo de vuelo del pulso de luz entre el objetivo y el lidar por la velocidad de la luz. TOF lidar utiliza tecnología de modulación de amplitud de pulso (AM), por lo que también se llama AM lidar.
A diferencia de la ruta ToF, FMCW transmite y recibe principalmente rayos láser continuos, interfiere con la luz devuelta y la luz local y utiliza tecnología de detección de mezcla para medir la diferencia de frecuencia entre el envío y la recepción, y luego convierte la diferencia de frecuencia para calcular la distancia de el objetivo.
Específicamente, el rayo láser se refleja después de alcanzar el objetivo, y el reflejo afecta la frecuencia de la luz: si el objetivo camina hacia el vehículo, la frecuencia aumentará; si el objetivo y el vehículo caminan en la misma dirección, el la frecuencia disminuirá. Cuando la luz reflejada regresa al detector, se compara con la frecuencia cuando se emitió y se puede medir la diferencia entre las dos frecuencias para calcular la información de distancia del objeto.
En pocas palabras, ToF usa el tiempo para medir la distancia, mientras que FMCW usa la frecuencia para medir la distancia.
La siguiente figura toma como ejemplo una onda continua modulada en frecuencia de onda triangular para presentar su principio de alcance: el azul es la frecuencia de la señal transmitida, el rojo es la frecuencia de la señal recibida. El rayo láser emitido se modula repetidamente y la frecuencia de la señal se mantiene. cambiando.
La imagen está extraída de la "Clasificación y principios de LiDAR convencionales" publicada por la cuenta pública "Meituan Unmanned Delivery" el 28 de junio de 2021.
Además, según Xi, director ejecutivo de una empresa lidar FMCW, existe otra diferencia obvia entre FMCW y TOF: para reducir la interferencia de la luz ambiental, TOF se centra en filtrar, es decir, bloquear la luz fuera de la longitud de onda de trabajo. desde el receptor de radar; FMCW solo interfiere con el láser emitido por sí mismo y no se ve interferido por la luz de otras fuentes de luz. En pocas palabras, TOF significa "repeler a los disidentes", mientras que FMCW significa "atraer a personas similares".
La tecnología central del lidar FMCW proviene principalmente del campo de la comunicación óptica. Zhu Xiaoqi, presidente y director general de Microsource Photonics, dijo que el algoritmo de modulación y demodulación del lidar FMCW para enviar y recibir señales es muy similar al módulo óptico del lidar. productos de comunicación, use una cuchara ligera El director ejecutivo de tecnología, Yao Jian, dijo: "Junte el transmisor y el receptor de los productos de comunicación óptica y luego doble la fibra óptica para formar un lidar FMCW".
En el campo de las comunicaciones ópticas se utiliza una gran cantidad de tecnología fotónica de silicio, y también se requieren chips fotónicos de silicio para la recepción y escaneo de lidar FMCW. El llamado chip fotónico de silicio realiza una gran cantidad de control de la trayectoria óptica en las obleas CMOS, incluido el control activo, la modulación y la demodulación. En pocas palabras, en comparación con los chips de silicio ordinarios, los chips fotónicos de silicio pueden conducir tanto la electricidad como la luz.
Por supuesto, los productos de comunicación óptica no se basaron desde el principio en la tecnología fotónica de silicio. Los primeros productos de comunicación óptica también utilizaban muchos dispositivos discretos, que generalmente se caracterizaban por su gran tamaño y alto costo. A medida que la tecnología fotónica de silicio maduró y se introdujo, los productos de comunicación óptica comenzaron a desarrollarse en la dirección de la integración y la escala de aplicación comenzó a aumentar. significativamente.
Dado que FMCW lidar depende en gran medida de la cadena de la industria de la fotónica de silicio, el ritmo de crecimiento de las empresas de lidar de FCMW también está sujeto en gran medida a la madurez de la cadena de la industria de la fotónica de silicio.
El fundador de una empresa lidar dijo a "Nine Chapters Smart Driving": "¿Por qué las empresas lidar FMCW basadas en DARPA básicamente solo se establecieron después de 2018? Porque solo en este momento el proceso de fotónica de silicio puede considerarse maduro. La tecnología de fotónica de silicio está madura. Óptica "Las comunicaciones sólo se han vuelto populares en los últimos dos o tres años. Antes de eso, debido a que no había manera de reducir los costos confiando en la integración de la fotónica de silicio, el costo de hacer FMCW debe ser muy alto".
dos. Ruta técnica del lidar FMCW
1. Clasificar de manera relevante
Según Yao Jian, director ejecutivo de Optical Spoon Technology, FMCW se puede dividir en modulación de frecuencia y modulación de fase según el modo de coherencia de las ondas de luz. En realidad, los dos son iguales (la derivada de la modulación de frecuencia es la modulación de fase y la integral de la modulación de fase es la modulación de frecuencia), pero los métodos de implementación son diferentes:
La modulación de frecuencia es similar a agregar una señal de onda de luz a un "resorte", y el resorte se comprime o tira hacia arriba;
La modulación de fase consiste en agregar una modulación de código aleatorio a la señal, que es esencialmente una técnica de codificación.
Según Andy Sun, CTO de Luowei, la fase y la frecuencia están relacionadas, y la modulación de fase puede considerarse como una forma no lineal o codificada de modulación de frecuencia.
La ventaja de la modulación de frecuencia lineal FMCW es que la tecnología de procesamiento de señal de FFT proporciona una relación señal-ruido extremadamente alta y el chip y el IP son muy maduros, sin embargo, la linealidad de la modulación de frecuencia del láser es muy exigente. en el mercado son más caros, pero en los últimos años, con la afluencia continua de proveedores que adoptan tecnología láser de comunicación óptica de bajo costo, el costo se reducirá considerablemente en el futuro. Las empresas representativas de la tecnología chirp son Blackmore y SILC.
La modulación de fase codificada o la modulación de frecuencia no lineal tienen menores requisitos para la modulación láser. Se pueden usar láseres de fibra con mayor potencia óptica que están más fácilmente disponibles. Sin embargo, la desventaja es que la frecuencia de muestreo del ADC es muy alta, lo que requiere un algoritmo DSP especial. y la relación señal-ruido. En relación con FFT, es menor. Las empresas representativas que adoptan esta ruta técnica son Aeva y Guangshao Technology.
Andy Sun cree que, en comparación con la modulación de frecuencia no lineal o la modulación de fase codificada, la modulación de frecuencia lineal puede lograr una relación señal-ruido más alta, por lo que será una mejor opción al realizar lidar FMCW de larga distancia.
2. Clasificación según el método de implementación de la modulación de frecuencia.
El responsable de un fabricante de lidar que no quiso ser identificado dijo que hay dos formas de lograr la modulación de frecuencia:
Modulación externa, es decir, utilizar un modulador fotoeléctrico para cargar señales de RF para lograr una modulación de frecuencia;
La modulación directa significa cambiar directamente la corriente operativa del láser para lograr una modulación de frecuencia lineal de su longitud de onda operativa.
No hay diferencia en el rendimiento entre estas dos soluciones, pero la integración y el costo son muy diferentes:
El nivel de integración del ajuste externo es muy bajo y el costo muy alto;
El método de ajuste directo ahorra el costo del modulador y la fuente de señal, pero es más difícil de implementar.
Según la persona mencionada anteriormente, actualmente entre los fabricantes de lidar, sólo Aeva domina la tecnología de ajuste directo.
tres. Ventajas de FMCW sobre TOF
En comparación con TOF, ¿cuáles son las ventajas del lidar FMCW? A continuación, combinamos las limitaciones de TOF lidar para compararlas y compartirlas una por una.
1. Las ondas de luz TOF se ven fácilmente interferidas por la luz ambiental, mientras que FMCW tiene una fuerte capacidad antiinterferente.
La tecnología clave de TOF radica en las señales eléctricas (modulando pulsos eléctricos para hacer que los pulsos de luz sean más estrechos, luego convirtiendo la luz en señales eléctricas y luego manipulando las señales eléctricas para analizar los pulsos), y una de las características de las señales eléctricas es eso, fácilmente perturbado por el ruido ambiental.
Debido a que TOF lidar utiliza detección directa, responde a toda la luz que ingresa al detector. Por lo tanto, cuando hay muchos lidars instalados en el automóvil o varios automóviles equipados con lidar conducen en la misma área, cómo evitar cada láser La interferencia mutua de Las ondas de luz emitidas por el radar se convierten en un gran problema.
Para resolver estos problemas, varios fabricantes de lidar tienen que invertir mucho dinero en investigar tecnología antiinterferente especializada. La técnica más común es codificar cada pulso láser individualmente para que no sea interferido por otros lidars. Sin embargo, la codificación conducirá a una disminución de la relación señal-ruido, sacrificando así las capacidades de alcance.
Además, el lidar TOF también se ve afectado fácilmente por la luz intensa. Si está de cara al sol mientras trabaja, le resultará difícil ver el objetivo cuando el sol brille demasiado. Imagínese lo que sucedería si la cámara y el lidar fallaran debido a una luz solar demasiado intensa al mismo tiempo.
Para lograr una mayor distancia de detección, fabricantes como Luminar incluso utilizan láseres de 1550 nanómetros, pero Yao Jian y otros creen que si el láser de 1550 nanómetros se utiliza en TOF, será sensible a la luz solar y, por lo tanto, no podrá funcionar en condiciones fuertes. luz.
Por supuesto, este problema no es completamente irresoluble. Para combatir las interferencias se pueden utilizar, por ejemplo, distintos filtros y también se puede alargar la distancia focal del sistema: cuanto mayor sea la distancia focal, menor será el campo de visión en las pruebas de un solo punto y, por tanto, menos exposición a la luz solar. . Tenga en cuenta que este último enfoque se produce a expensas del FOV.
Sin embargo, para el lidar FMCW, la "interferencia" ya no es un problema.
En primer lugar, FMCW se basa en el principio de coherencia (la luz reflejada interfiere con la luz local). Solo puede recibir la luz que emite (la misma o similar frecuencia), por lo que no será interferida por varias "luces parásitas". " - aquí La "luz parásita" incluye tanto la luz de otros lidars como la luz ambiental, como la luz solar.
En segundo lugar, según Yao Jian, el lidar FMCW es un fotón único y la intensidad de su fuente de luz incorporada es al menos tres órdenes de magnitud mayor que la intensidad de la luz solar reflejada, por lo que el impacto de la luz solar sobre él es básicamente insignificante. .
Además, otra razón por la que el lidar FMCW tiene una gran capacidad antiinterferente es que el filtro es muy pequeño.
Como se mencionó anteriormente, agregar un filtro es un medio para combatir la interferencia de la luz ambiental. Cuanto menor sea el ancho de banda del filtro, mayor será la capacidad antiinterferencia. Generalmente, el ancho de banda del filtro del lidar TOF es de 20 a 30 nanómetros, mientras que el ancho de banda del filtro del lidar FMCW está dentro de 0,01 nanómetros.
2. La relación señal-ruido de TOF es demasiado baja, mientras que la relación señal-ruido de FMCW es muy alta.
La baja relación señal-ruido es un punto débil que es difícil de eliminar con TOF lidar. En concreto, un lidar afirma tener un alcance de detección de 200 metros, pero en la práctica es posible que no pueda distinguir si el llamado objetivo es un objetivo real o un objetivo falso.
La razón es que la reflexión y la reflexión difusa de la luz ambiental, como la luz solar, por el objeto objetivo provocarán señales de ruido innecesarias y, en el extremo receptor, estas señales de ruido se convertirán en señales eléctricas y se amplificarán.
Según Yao Jian, el ruido encontrado por TOF lidar se denomina "ruido aditivo" en la industria. El llamado "ruido aditivo" significa que el extremo receptor del extremo de detección recibe una señal, pero este puede ser un "pseudo punto objetivo". Por lo general, el LIDAR TOF necesita determinar si este punto es un punto objetivo real o un "punto pseudo objetivo" en función de la reflectividad.
El lidar FMCW no tiene que preocuparse por este problema. Hay dos razones:
(1) El extremo de detección del lidar FMCW solo puede recibir la luz que envía. Por lo tanto, si la luz devuelta no coincide con el tiempo, la frecuencia y la longitud de onda de la transmisión original, el lidar FMCW sabe que debe filtrar ese punto de datos. , lo que significa Permite una detección de objetos más precisa.
(2) En el lidar FMCW, además de la luz de señal emitida por el láser, también hay luz del oscilador local que pasa a través del divisor de haz. El eco de la luz de señal y la luz del oscilador local están acoplados a la detección de luz. Además de la potencia óptica de la señal óptica recibida, la potencia óptica de oscilación local también compite con el ruido de fondo, dando como resultado la supresión del ruido.
Generalmente, la relación señal-ruido del lidar FMCW es más de 10 veces mayor que la del TOF. El Sr. Xi, director ejecutivo de una empresa lidar FMCW, incluso cree que el lidar FMCW utiliza un método de detección coherente y su relación señal-ruido puede ser de 3 a 4 órdenes de magnitud mayor que la del TOF. Además, "como el semiconductor El proceso se vuelve más sofisticado, su eficiencia de interferencia mejorará aún más. "Mejora", teóricamente se puede lograr la detección de un solo fotón.
En palabras de Yao Jian, el ruido del lidar FMCW es "ruido multiplicativo", es decir, "una vez que el terminal de detección recibe una determinada señal, el objetivo que tiene delante es real y no un 'pseudo objetivo'".
El lidar de largo alcance a menudo sacrifica el campo de visión para lograr un rango de detección más largo, lo que en realidad requiere una mayor relación señal-ruido. Por lo tanto, una vez que la tecnología madure, FMCW será una mejor opción para la detección de larga distancia.
3. Los datos de dimensión de velocidad de TOF son de baja calidad, mientras que FMCW puede obtener los datos de dimensión de velocidad de cada píxel.
En las relaciones públicas de los fabricantes de lidar FMCW, los “datos de dimensión de velocidad” son un punto culminante inevitable. Entonces, ¿no puede el lidar TOF proporcionar datos dimensionales de velocidad del objetivo?
no necesariamente. Para ser precisos, TOF sólo calcula la distancia midiendo el tiempo de retorno del pulso láser emitido, por lo que "no puede obtener directamente la información de velocidad del objeto objetivo". En la práctica, TOF utiliza tecnología de aprendizaje profundo para calcular la velocidad instantánea de un objetivo en función de su desplazamiento y la diferencia de tiempo entre fotogramas durante la operación lidar.
Sin embargo, según el fundador de una empresa de lidar FMCW, en muchos casos, un lidar TOF que afirma tener un alcance de detección de 300 metros, una vez que la distancia del objetivo supera unos determinados 100 metros, debido al número de líneas alcanzadas por El lidar es muy pequeño y la velocidad es difícil de calcular.
El CTO de Luowei, Andy Sun, mencionó otra razón: el cálculo de la velocidad necesita utilizar la diferencia de distancia entre dos fotogramas para derivar la derivada de la diferencia de tiempo, que es muy sensible al ruido, lo que provocará errores muy grandes en los resultados del cálculo, incluso no funciona en absoluto. En la práctica, normalmente es necesario utilizar más de 2 cuadros de datos para suavizar y reducir la interferencia de ruido. La velocidad calculada será más confiable, pero al hacerlo se producirá un retraso excesivo.
Pero el lidar FMCW no tiene que preocuparse por este problema. Debido a que la frecuencia de la luz reflejada FMCW cambia según la velocidad del objeto en movimiento frente al efecto Doppler, los datos de velocidad de cada píxel del objetivo se pueden calcular directamente.
¿Para qué sirven los datos de dimensión de velocidad?
El Sr. Xi, director ejecutivo de una empresa lidar de FMCW, mencionó los dos escenarios siguientes:
(1) ¿Qué pasará si un vehículo autónomo viaja a una velocidad de 120 kilómetros por hora y de repente es bloqueado por otro vehículo que viaja a una velocidad de 125 kilómetros por hora?
Cuando una persona conduce, el conductor suele ser muy consciente de que la distancia entre el otro coche y yo será cada vez mayor después de que la parada sea exitosa, por lo que no tengo que tomar ninguna medida; pero para el sistema de conducción autónoma, esto Es algo muy difícil: debido a la incapacidad de obtener datos precisos sobre la dimensión de la velocidad, ni la cámara ni el lidar TOF pueden ayudar al sistema de toma de decisiones a juzgar que "la brecha entre él (el vehículo que bloquea) y yo se volverá Cada vez es más grande". De hecho, la frenada de emergencia es la acción más común que realiza el sistema de conducción autónoma en esta situación, y esto puede provocar fácilmente una colisión por alcance.
Pero si el lidar TOF se reemplaza por FMCW, el problema se resolverá. Debido a que el lidar FMCW no solo puede detectar con precisión la posición del vehículo que bloquea, sino también detectar con precisión la velocidad vectorial del vehículo que bloquea, lo que ayuda al sistema de toma de decisiones a concluir "Mientras no bloquee el vehículo que bloquea, puede evitar la colisión." Por lo tanto, evitando así frenadas innecesarias.
(2) En los días lluviosos, los neumáticos delanteros del vehículo salpicarán agua nebulizada. Después de que el lidar TOF golpea la neblina de agua, la nube de puntos formada también es grumosa. No se ve diferente del vehículo u otros obstáculos. Este tipo de La información puede causar muchos problemas al sistema de toma de decisiones: ¿frenar o no frenar? Si frena con frecuencia accidentalmente debido a la neblina de agua, no solo la experiencia de conducción será mala, sino que también representará un peligro para la seguridad (ser chocado por detrás).
Pero si TOF es reemplazado por FMCW, el problema se resolverá. Debido a que la neblina de agua salpicada por los neumáticos delanteros tiene trayectorias obvias de ascenso y descenso, y el lidar FMCW puede usar esta información de velocidad vectorial para ayudar al sistema de toma de decisiones a determinar que son "neblina de agua", por lo que puede ser filtrada por la decisión. haciendo algoritmo Pierde.
Yao Jian dio los siguientes ejemplos:
(1) Hay una motocicleta bloqueada por un automóvil blanco, con solo una pequeña esquina expuesta. TOF no puede identificar dicho objetivo, pero FMCW puede identificarlo porque puede monitorear la información de velocidad de esta "pequeña esquina".
(2) Dos vehículos están muy cerca uno del otro. Es difícil para el LIDAR TOF distinguir si son un vehículo o dos vehículos. Sin embargo, FMCW puede distinguir fácilmente los dos vehículos porque puede obtener la información de velocidad de cada píxel de el vehículo Los coches se distinguen.
(3) Al monitorear a los peatones, el LIDAR TOF generalmente solo puede determinar "hay una persona allí", mientras que el FMCW puede ver claramente de qué lado está el brazo izquierdo de la persona y de qué lado está el brazo derecho.
Yao Jian explicó: "Debido a los datos de la dimensión de velocidad, incluso si el láser solo regresa a un punto después de golpear un obstáculo (debido a la baja reflectividad del objetivo, a una distancia demasiado grande, etc.), no afectará los resultados del monitoreo. "
Según Yao Jian, el rango de detección del lidar FMCW puede ser de 500 a 600 metros. Esta es también la razón clave por la que Aurora decidió adquirir Blackmore, un fabricante de lidar FMCW, después de recurrir al escenario de logística troncal: los camiones necesitan ver muy lejos y los puntos de luz del lidar son muy escasos en la distancia, pero si hay Datos de dimensión de velocidad, los puntos dispersos no son un problema grave.
Yao Jian dijo que además de ampliar la distancia de detección efectiva, los datos de la dimensión de velocidad también pueden aportar los dos beneficios principales siguientes:
1. Dado que los objetos con muy baja reflectividad pueden detectarse con un solo punto de luz, la reflectividad no es tan importante. Por lo tanto, los usuarios no necesitan medir la reflectancia de varios objetivos.
2. La velocidad de cada píxel del objetivo se genera desde el sensor, lo que reduce los requisitos de potencia informática para el procesamiento back-end. Además, la arquitectura del algoritmo de fusión de sensores también es fácil de implementar.
Además, los datos de dimensión de velocidad también pueden compensar la desventaja del lidar FMCW en la frecuencia puntual.
La persona a cargo de un fabricante de lidar TOF dijo que a diferencia del alcance TOF, que tarda 2 microsegundos a la vez, el alcance FMCW tarda 20 microsegundos a la vez, por lo que este último tiene menos frecuencias puntuales. Pero, en general, la frecuencia puntual baja no afecta el efecto de detección porque cada píxel incluye datos de dimensión de velocidad, no es necesario que la frecuencia puntual sea muy alta para lograr la percepción de objetos en movimiento a larga distancia.
Sin embargo, el Sr. Xi, director general de una empresa lidar de FMCW, cree que los resultados de la detección cuando los puntos de luz son muy escasos dependen no sólo de las capacidades del propio lidar, sino también de cómo se implementa el algoritmo del cliente intermedio, si el algoritmo piensa: La nube de puntos del lidar es demasiado escasa y solo hay tres puntos en el vehículo que está muy por delante. Si "la confianza no es suficiente", el resultado de la detección será "ignorado".
Ahora hay un nuevo dicho que dice que cuando un algoritmo de IA percibe los objetos circundantes, también necesita verificar en tiempo real si el resultado de la percepción es correcto y qué tan lejos está del valor real. El papel del lidar se reflejará aquí, en términos generales. , la medición es objetiva y puede usarse como referencia. Por supuesto, el requisito previo es que los resultados de la medición proporcionados por el lidar tengan suficiente precisión, densidad y estabilidad.
4. Es difícil que TOF sea compatible con la estructura de escaneo OPA, mientras que FMCW es naturalmente más adecuado para OPA
Como se mencionó anteriormente, TOF o FMCW son principalmente para el sistema transceptor y el sistema de escaneo también es fundamental. Los métodos de escaneo de TOF lidar incluyen rotación mecánica, espejo giratorio, prisma, MEMS, Flash, OPA, etc. Entre ellos, solo Flash y OPA son escaneos de estado sólido puro, y las ventajas del escaneo OPA son más obvias.
Debido a que Flash es un escaneo de matriz de área, mientras que OPA es un escaneo puntual, la potencia óptica está más concentrada y, en teoría, la distancia de detección puede ser mayor que la de Flash.
Pero la verdad es que los fabricantes de lidar principales están trabajando en las soluciones de escaneo anteriores, pero aunque OPA ha sido popular durante un tiempo, nunca ha hecho ruido. De hecho, Quanergy, la primera empresa en proponer el uso de OPA para TOF lidar, abandonó el mercado de lidar automotriz hace tres años.
¿Por qué? El escaneo OPA generalmente se basa en chips fotónicos de silicio, y la potencia máxima del TOF es demasiado alta (generalmente 40-50 vatios, incluso hasta 100 vatios), y el chip fotónico de silicio "no puede soportarlo en absoluto".
Por supuesto, la potencia de TOF también se puede reducir para que el chip OPA no se dañe. Sin embargo, esto también significa un rango de detección más corto. Por ejemplo, la solución combinada TOF+OPA anterior de Quanergy tiene un alcance de detección de menos de 100 metros, lo que obviamente no puede cumplir con los requisitos de los vehículos autónomos para el lidar principal.
Por el contrario, la potencia máxima de FMCW es de sólo "el nivel de cien milivatios", que es "4 órdenes de magnitud menor" que la de TOF. la razón es:
Una sola medición de alcance de TOF solo toma 2 microsegundos, mientras que una sola medición de alcance de FMCW requiere 20 microsegundos. Aunque la energía total no es mucha, debido a que la energía se distribuye uniformemente en el tiempo, la potencia máxima será relativamente baja;
La relación señal-ruido de TOF es baja. Si la potencia es demasiado baja, no se pueden obtener suficientes "señales efectivas". Sin embargo, la relación señal-ruido de FMCW es muy alta. Incluso con una potencia muy baja, se pueden obtener suficientes "señales efectivas".
En vista de esto, si el escaneo OPA se combina con el transceptor FMCW, no hay necesidad de preocuparse por problemas de potencia máxima.
Por el contrario, también se puede decir que OPA solo se puede aplicar al lidar montado en vehículos después de que madure FMCW.
5. FMCW puede lograr un mayor grado de "chipización"
Actualmente, muchos fabricantes de LIDAR TOF están trabajando arduamente para mejorar la integración de productos y reducir costos mediante la "chipización", sin embargo, los módulos que se pueden chipear son, como máximo, procesamiento de señales, láseres, detectores, lentes ópticas, etc. es una matriz de área y no tiene ningún componente de escaneo independiente) no se puede chipear por el momento.
(Nota: la mayoría de los fabricantes coinciden en que la lente óptica en el LIDAR TOF no se puede integrar. Sin embargo, el Sr. Xi cree que con el apoyo de la tecnología óptica de silicio monocristalino, las lentes ópticas se pueden integrar en el futuro incluso en TOF).
Sin embargo, en el lidar FMCW, incluso la lente óptica y los componentes de escaneo pueden estar basados en chips en las circunstancias más ideales.
Por supuesto, desde una perspectiva técnica, FMCW no se basa naturalmente en chips.
Según Andy Sun, CTO de Luowei, los productos de comunicación óptica que también se basan en el principio de coherencia se "empalmaron" a partir de un conjunto de dispositivos discretos en los primeros días. Pero en los últimos años ha habido una nueva tendencia, que incluye a gigantes como Cisco, Huawei y ZTE, que han comenzado a adoptar soluciones de integración integradas basadas en chips fotónicos de silicio.
La razón es que debido a que la cadena de suministro es relativamente madura, aunque se puede garantizar el rendimiento de los productos de comunicación óptica basados en dispositivos discretos, debido a la gran cantidad de componentes y la necesidad de un acoplamiento de alineación de alta precisión, el costo de cada conjunto es En comparación, hoy en día, el costo de un solo conjunto de soluciones basadas en luz de silicio se puede reducir a uno o dos mil dólares estadounidenses , o incluso a varios cientos de dólares estadounidenses .
De manera similar, los primeros lidars FMCW (como los productos anteriores de Blackmore) todavía estaban apilados por componentes discretos como fuentes de luz, divisores de haz, antenas, mezcladores y detectores. Sin embargo, esta solución no sólo cuesta miles de dólares, sino que también es difícil cumplir con las regulaciones de los vehículos, por lo que, al igual que los productos de comunicación óptica, el lidar FMCW se basará en última instancia en tecnología fotónica de silicio.
(Los derechos de autor de la imagen pertenecen a Luowei Company)
En TOF lidar, el láser y el detector utilizan chips diferentes, mientras que en FMCW, en el caso más ideal, el láser y el detector se pueden integrar en el mismo SoC.
La chipización en TOF no incluye lentes ópticas ni componentes de escaneo, mientras que en FMCW, la lente óptica puede tener un chip y los componentes de escaneo están hechos directamente de chips fotónicos de silicio. En el caso más ideal, el módulo de escaneo se puede integrar con el módulo transceptor (láser + detector) en el mismo chip (en esta dirección están trabajando Intel, Mobileye y una empresa china con sede en Shanghai).
Por lo tanto, muchos fabricantes creen que el nivel de chip del lidar FMCW se puede hacer más completo y, por lo tanto, es más probable que disfrute de los dividendos de la Ley de Moore.
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Cuatro. Algunas controversias y malentendidos sobre el lidar FMCW
1. ¿La distancia de detección de FCMW es mayor que la de TOF?
Muchos informes de los medios sobre el lidar FMCW han mencionado sus ventajas en el rango de detección. No se puede decir que esta opinión sea completamente errónea, pero también es controvertida.
Según el director ejecutivo de Light Spoon Technology, Yao Jian, debido a la información de la dimensión de velocidad, el lidar FMCW aún puede detectar obstáculos incluso si hay muy pocos puntos que alcancen el objetivo o devuelvan muy pocos puntos de luz. Por tanto, es posible detectar vehículos a 500-600 metros de distancia.
Wu Lei, director de diseño de Zhisen Photonics IC, también tiene una opinión similar.
El Sr. Xi, director ejecutivo de una empresa de lidar FMCW, incluso dijo que debido a su gran capacidad de detección de señales débiles, su lidar FMCW utilizado en escenarios aeroespaciales tiene un alcance de detección de hasta 12 kilómetros, y su lidar FMCW utilizado en escenarios de vehículos, La distancia de detección también puede alcanzar los 2 kilómetros.
Sin embargo, la persona a cargo de un fabricante de lidar TOF dijo que, en comparación con TOF, el lidar FMCW tiene una ventaja en el rango de detección, pero no es una "ventaja aplastante".
Con la creciente popularidad de los detectores de fotón único, las capacidades de alcance del LIDAR TOF mejoran constantemente. FMCW es mejor que la medición directa de velocidad, pero su ventaja sobre TOF en las capacidades de alcance se está reduciendo.
Además, la distancia de detección debe combinarse con la frecuencia puntual. Solo cuando la resolución es lo suficientemente alta, tiene sentido hablar de distancia de detección. Pero, de hecho, la frecuencia puntual del LIDAR FMCW es menor que la del TOF. Por lo tanto, Su detección reivindicada tiene un largo alcance de detección y un valor real limitado para la identificación de objetos estáticos.
Otro fundador de la empresa lidar FMCW cree que si TOF también utiliza láseres de 1550 nm, la ventaja del FMCW en la distancia de detección desaparecerá "porque la pérdida del sistema FMCW es relativamente alta".
2. ¿Hay algún retraso en el lidar FMCW?
Hay un dicho en Internet que dice que el radar láser FMCW "tiene un retraso". Con esta pregunta en mente, el autor pidió específicamente verificación a algunos expertos de la industria.
Según la persona a cargo del fabricante del lidar TOF, a diferencia del lidar TOF, que a menudo solo tarda 2 microsegundos en una única medición de rango, el lidar FMCW suele tardar unos 20 microsegundos en una única medición de rango. La razón es que la luz emitida por el lidar FMCW debe tener una frecuencia de batido con su propia señal después de regresar. Si el tiempo de frecuencia de batido es demasiado corto, la potencia se verá afectada.
Sin embargo, esta diferencia de tiempo de 18 microsegundos no es suficiente para afectar la seguridad en la conducción. Porque, "Incluso si dos coches que viajan en dirección opuesta van ambos a 100 km/h, la velocidad relativa es sólo de 200 km/h. En menos de 20 microsegundos, la posición relativa de los dos coches sólo cambia unos pocos milímetros". ".
3. FMCW no puede proporcionar velocidad lateral, ¿es esto una desventaja?
Como se mencionó anteriormente, FMCW puede proporcionar datos de dimensiones de velocidad, pero también tiene limitaciones: solo puede proporcionar velocidad radial (la velocidad del objetivo cuando la dirección del movimiento es paralela a la dirección de desplazamiento del vehículo), pero no puede proporcionar velocidad lateral (la velocidad del objetivo cuando la dirección del movimiento es paralela a la dirección de desplazamiento del vehículo) velocidad cuando la dirección del movimiento es perpendicular a la dirección de desplazamiento del vehículo). Algunos medios también dicen que esto es la "desventaja" del lidar FMCW.
Algunos fabricantes no están convencidos de que la velocidad lateral sea una "desventaja" del FMCW. Por ejemplo, el fundador de una empresa lidar FMCW preguntó: "TOF ni siquiera puede proporcionar velocidad radial. FMCW al menos puede proporcionar velocidad radial. ¿Por qué se convierte en una desventaja?"
Tengo múltiples velocidades radiales, lo cual es mejor que nada, ¿verdad? "
Además, según el fundador, normalmente, cuando el objeto objetivo "tiene un cierto volumen", el lidar escaneará muchos puntos del objeto objetivo. En este punto, se mide una velocidad radial, y en ese punto luego se mide la velocidad radial. velocidad, y puedes usar algunas fórmulas para calcular la velocidad lateral.
Esta persona también dijo: "Podemos usar la analogía del ojo humano para saber que no es necesario enfatizar particularmente la velocidad lateral, porque el ojo humano 'detecta' fácilmente el objetivo que se mueve lateralmente; pero para la velocidad radial, ese objetivo es Ya sea que esté lejos o cerca de usted, cuál es la velocidad, de hecho, es difícil para el ojo humano evaluar con precisión, lo que requiere que el lidar FMCW desempeñe un papel ".
Vista previa del próximo número: Ciencia popular sobre FMCW LiDAR (Parte 2): transmisión, recepción y escaneo. Para aquellos que estén preocupados por perderse algo, recuerden seguir "Nueve capítulos de conducción inteligente".
Referencias:
Fuente de luz LiDAR: FMCW/láser de pulso de alta frecuencia
https://mp.weixin.qq.com/s/jQexTKvDEmshPhLu2u4FbA
SiLC, fabricante de lidar FMCW, completó una financiación Serie A de 17 millones de dólares para acelerar las aplicaciones de visión artificial
https://mp.weixin.qq.com/s/XG2kvFKwRYeusjMqR5pTwQ
¡Se acerca el lidar 4D! Mobileye/Denso/ZF/Volkswagen y muchos gigantes son optimistas sobre la nueva vía
https://mp.weixin.qq.com/s/RFIqDU7KLJRejgyrE93PYA
Análisis lidar de Mobileye/Intel
https://mp.weixin.qq.com/s/e53_yptWgqZJPsUoJRnreQ
Hangzhou Aleda: introducción a la primera tecnología lidar montada en vehículos FMCW de China
https://mp.weixin.qq.com/s/TIUP_Nim0e-iKC95PNTk-Q
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