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固体激光雷达哪家强:Velodyne对比Quanergy

2017-01-19 09:50
蓝林笑生
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与传统机械扫描技术相比,光学相控阵扫描技术有三大优势:

● 扫描速度快:光学相控阵的扫描速度取决于所用材料的电子学特性和器件的结构,一般都可以达到MHz量级以上。

● 扫描精度或指向精度高:光学相控阵的扫描精度取决于控制电信号的精度(一般为电压信号),可以做到μrad(千分之一度)量级以上。

● 可控性好:光学相控阵的光束指向完全由电信号控制,在允许的角度范围内可以做到任意指向,可以在感兴趣的目标区域进行高密度的扫描,在其他区域进行稀疏扫描,这对于自动驾驶环境感知非常有用。

但光学相控阵扫描技术也有它的缺点:

● 易形成旁瓣,影响光束作用距离和角分辨率:光束经过光学相控阵器件后的光束合成实际是光波的相互干涉形成的,干涉效果易形成如下图所示的旁瓣,使得激光能量被分散。

● 加工难度高:光学相控阵要求阵列单元尺寸必须不大于半个波长,一般目前激光雷达的工作波长均在1微米左右,这就意味着阵列单元的尺寸必须不大于500纳米。而且阵列数越多,阵列单元的尺寸越小,能量约往主瓣集中,这就对加工精度要求更高。

图 3 旁瓣示意图

考虑到Quanergy公司的CEO兼联合创始人Louay Eldada的技术背景和Quanergy对外发布的S3工作原理,如图1所示,Quanergy应该是采用了光通信中成熟的平面光波导技术制作光学相控阵扫描器件。为了获得良好的相干合成效果,要求波导结构的尺寸非常微小,仅有几百纳米量级,可以承受通过的激光功率有限。这与水管越小,可容纳的水流量越小一个道理。如果采用脉冲测距体制,将导致信噪比不足,探测距离有限,必须采用其他手段来弥补,譬如多脉冲、脉冲编码或连续波调制等来提高信噪比。

另外,我们常说激光雷达的抗干扰能力强,那是因为传统机械扫描的激光雷达接收视场特别小,外界的直接照射干扰信号很难对准并进入激光雷达的接收视场。而且,激光雷达能接收到的背景光噪声功率是与接收视场成正比的,视场越大,背景光噪声功率越高。Quanergy的光学相控阵扫描仅能对发射激光束指向进行控制,不能实现接收光路进行同步扫描,这就要求S3激光雷达必须采用一个大视场的接收光学系统来接收激光的回波信号。如果扫描角度范围为±60o,那么接收视场的角度也必须达到±60o,这会造成信噪比的下降,而且容易受到其他同类系统发射的激光信号和太阳直射的干扰。

二、Velodyne的固态混合扫描

虽然Velodyne从VLP-16产品面世后才开始宣称这款16先激光雷达采用“固态混合”(Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto)技术,但实际上Velodyne从其第一款64线激光雷达HDL-64开始,采用的就是固态混合技术。图 4~图 6给出了Velodyne的HDL-64E、HDL-32E和VLP-16三款产品的内部结构照片,可以看出这三款产品除了HDL-64E的差异较大外,HDL-32E和VLP-16基本一样,只不过VLP-16是在HDL-32E的基础上减少了16线,并对结构进行了优化。但实际上HDL-64E和HDL-32E、VLP-16采用的都是同一种技术。

图 4 HDL-64E激光雷达内部照片

图 5 HDL-32E激光雷达内部照片

图 6 VLP-16 激光雷达内部照片

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