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突破技術壁壘 國產鐳射雷達告別“大塊頭”

2019-01-11 14:49:48|來源:科技日報|編輯:薛維萌 |責編:韓東林

傳統鐳射雷達需要依靠人工實現鐳射發射電路板和接收電路板的微米級對準,這種工藝耗時、低效,且設備體積較大。

新技術讓模組間以類似積木的形式快速搭建,無需依賴多次人工對準,實現了機器自動對準,提高總裝效率的同時,也減小了設備尺寸。

C-Fans-128線鐳射雷達探測前方人體效果圖。

  不到三公斤的無人機鐳射雷達、針對電力行業定制的鐳射雷達電力巡檢系統解決方案、含自主晶片的避障鐳射雷達……在此前于浙江省湖州市德清縣召開的聯合國世界地理資訊大會上,北京北科天繪科技有限公司(以下簡稱“北科天繪”)的鐳射雷達系列產品成為一大亮點。這些鐳射雷達不但更小更輕,而且在保持高性能的同時還讓成本大大降低。

  那麼,鐳射雷達技術難在哪?北科天繪的鐳射雷達又有何過人之處?

  系統複雜導致鐳射雷達體積過大

  鐳射雷達,簡而言之即通過主動發射及接收鐳射信號實現三維探測的高精度感測器,“它由鐳射發射、鐳射信號接收、光學及掃描、信號處理和系統控制等模組組成。”北科天繪技術總監張珂殊介紹道,鐳射雷達不僅自身就是高度整合化的光機電一體化感測器,使用中還要與全球衛星定位 (如北斗、GPS)、慣性導航單元(IMU)、可見光相機、紫外相機、高光譜相機等各種感測器做時空同步整合,涉及多感測器數據融合和一體化標定,技術門檻很高。

  “鐳射雷達的工作原理與微波雷達相近,以鐳射做信號源,鐳射信號到達目標表面 ——樹木、道路、橋梁和建築物等,在上述目標表面產生後向散射,從而使一部分鐳射回波信號回到鐳射雷達的接收器。然後通過光電信號轉換和信號處理,實現鐳射測距計算,即得到目標點測距。鐳射信號掃描目標物表面後,還可以得到目標物表面三維點的數據,用此數據進行三維成像處理後,我們就擁有了精確的三維目標模型數據(目標立體圖)。”張珂殊說。

  北科天繪總經理張智武告訴科技日報記者,國際先進測繪型鐳射雷達的核心性能指標包括:公里級測距範圍,毫米級測距精度,百萬級鐳射發射頻率。這要求高度優化的鐳射雷達系統設計技術,尤其是鐳射雷達信號的精細和實時處理能力,包括微弱信號的採集和放大,噪聲的識別和濾除以及時間精準計量,空間位置資訊和反射強度資訊的瞬態測量等。

  “由於光的傳播速度極快,上述信號接收,處理和三維數據生成要在極短的時間內(納秒)完成,因此難度很大。”張智武說,鐳射雷達是迄今為止最複雜的,效率和精度最高的感測器之一,與相機相比,它多了主動發光和光信號調製及解調的模組,實現每秒鐘百萬次精準測量,其本身就是一個複雜的整合性系統。

  然而,如此複雜的整合性系統,也讓積體電路設計成了鐳射雷達技術研發的攔路虎,大量國產鐳射雷達過於複雜的組裝會讓鐳射雷達體積重量過大,使用起來很不方便。

  晶片組獨闢蹊徑,雷達實現小身板

  “我們的核心競爭力正是創新了鐳射雷達的晶片和積體電路設計。”張珂殊表示,傳統的鐳射雷達積體電路技術,需要將鐳射發射器、探測器、放大器等數百個電子元器件封裝到一個比指甲蓋還小的專用晶片中,用單枚晶片實現鐳射雷達的整體控制。

  “然而傳統的鐳射雷達是由電路板構成,比如我們通常說的16線鐳射雷達就是由16對鐳射電路板組成(如圖①),需要依靠人工實現鐳射發射電路板和接收電路板的微米級對準,這種工藝耗時、低效,且體積較大。而我們使用自主開發的鐳射雷達信號處理晶片組,通過半導體封裝工藝精巧地解決了精密光機裝調與大尺寸機械誤差間跨數量級尺度差異,使複雜的鐳射雷達組裝及測試過程極大簡化(如圖②),模組間以類似積木的形式快速搭建,無需依賴多次人工對準,實現了機器自動對準,提高總裝效率的同時,也減小了設備尺寸。”張珂殊介紹, 獨闢蹊徑的鐳射雷達的晶片和積體電路設計,讓鐳射雷達“活”出了小身板。

  截至目前,北科天繪已研發5款鐳射雷達信號處理晶片。今年推出的輕小型高性能低成本無人機雷達——蜂鳥,這一最新款的無人機雷達系統重量做到了1.2公斤,探測距離大於200米,續航作業時間大於100分鐘,並且實現了與通用無人機系統的深度整合,法國、南韓、加拿大、澳大利亞、義大利等國已成為無人機載雷達產品代理商,向國外進行出口。

  提高探測能力,導航避障優勢明顯

  導航避障鐳射雷達,是無人駕駛領域的重要一部分。而北科天繪的拳頭產品,多線束導航避障鐳射雷達——R-Fans,填補了國內此項空白,並打破了該類型鐳射雷達的輕小化紀錄,目前R-Fans-32鐳射雷達相比國內外同類產品減輕25%。

  此外,“R-Fans系列產品還實現了12位強度解析度的探測能力,在高精度地圖數據獲取方面可以媲美高端測繪型鐳射雷達,從而有望使高精度地圖採集裝備的成本從兩三百萬元降至20萬元以內,有助於高精度地圖的快速推進,可間接促進自動駕駛的數據基礎和普及速度。”張智武介紹道。2018年,北科天繪還在國內首發128線的半固態前裝鐳射雷達(Semi-Flash LiDAR),持續與該領域國際領先企業比肩,保持我國全自主研發生產自動駕駛鐳射雷達國際競爭力。

  “現在主流的雷達測距能力可能只有100多米,車廠希望測距大於200米。我們的鐳射雷達在美國實地測試的時候有明顯技術優勢,首創了鐳射雷達和車頭大燈合為一體的理念,放在飛機上的測繪鐳射雷達測繪範圍也已經做到5公里。”張智武表示,“在如何減少鐳射雷達之間的互相干擾問題上,通過鐳射信道編碼,實現了同汽車平臺上多鐳射雷達間串擾免疫。在新版本的導航系列鐳射雷達產品中,解決了多車間、異類鐳射雷達串擾免疫的難題。”

  目前,包括京東物流在內的主流無人物流車都在使用北科天繪的鐳射雷達產品。“除了定制產品,我們正在談批量的事。”張智武預計,“菜鳥、美團、蘇寧、滿幫、四通一達、順豐等物流公司對於無人物流車都有很大的需求。”(操秀英)

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