4D激光雷达来了!Mobileye/电装/采埃孚/大众多家巨头看好新赛道

断翼天使 2021-05-24 13:14:44

激光雷达的赛道,从来都是黑马横行。


继Velodyne、Luminar等多家激光雷达公司通过SPAC方式登陆美股之后,另一家标榜“4D激光雷达”的公司(Aeva)近日也通过SPAC方式完成上市,最新市值为17.58亿美元,高于Ouster,但低于Velodyne和Luminar。


一方面,和其他公司类似,通过上市获取下一阶段的资金储备。截至2021年3月31日,Aeva公司的现金、现金等价物和有价证券为5.23亿美元,而截至去年底这个数字仅为2460万美元。


另一方面,Aeva公司仍处于前期巨额研发投入阶段。该公司最新财报显示,今年一季度收入仅有30万美元(上年同期为50万美元),经营亏损2010万美元(上年同期为700万美元)。


为了保障后续在汽车行业前装量产业务的推进速度,除了加快产品开发计划(包括与电装、采埃孚两家Tier1巨头),拿到卡车自动驾驶公司TuSimple以及一家未披露名字的主机厂订单,两位行业大佬也加盟公司的顾问委员会。


这两位分别是,前苹果公司高管史蒂夫·扎德斯基和大众集团高级副总裁亚历克斯·希辛格,目的是帮助Aeva将突破性的FMCW 4D激光雷达推向汽车市场。


其中,扎德斯基曾是苹果公司的工程副总裁以及苹果汽车项目组的负责人之一。而希辛格目前担任奥迪ARTEMIS GmbH(原大众Autonomy)的首席执行官,此前也曾是苹果汽车项目组的负责人之一。


一、4D激光雷达来了


当Luminar、Innoviz等同行正在奔赴传统“3D激光雷达”前装量产赛道之时,Aeva正在开拓一种可能改变未来游戏规则的新型“4D激光雷达”,在原有3D基础上增加第四个维度——速度。


目前,大多数激光雷达都是基于飞行时间(ToF)技术来做测距。ToF LiDAR本质上是发送多个激光脉冲,并测量这些脉冲返回传感器需要的时间,从而间接获得周围障碍物的距离。


Aeva公司采用的连续调频波(FMCW)的技术,与ToF路线不同,主要通过发送和接收连续激光束,并测量发送和接收的频率差异,来测量物体的距离。换句话说,ToF使用时间来测量距离,而FMCW使用频率来测量距离。


这其中,ToF发送的激光脉冲是受噪声影响的波动信号,不能直接捕获速度信息。而FMCW提供连续激光束,提供的流体信号噪声明显更小,可以同时捕获速度信息。


在成本方面,FMCW的优势在于,它利用了光子学和通讯技术的产业链成熟度,使其达到更高的性能水平。比如,更低成本的光电探测器,而ToF经常使用APD和其他更昂贵的探测器。


不过,客观来说,FMCW路线也有其自身的缺点,包括测距范围、扫描速度和成本——其中成本(车规级验证的技术成熟度)是目前应用的最大障碍。目前,Aeva通过专有的芯片设计和算法已经实现运行速度比传统激光雷达快5倍,同时减少10倍的功耗。


同时,Aeva也发布了超长测距的最新一代产品,检测范围(通过软件算法)可以超过500米(提供车辆检测),并且在现有硬件基础上可以实现OTA升级。


按照该公司的说法,第三代激光雷达芯片模块已经完成,这是量产前的最终架构,已经集成所有核心组件,同时进一步缩小了尺寸和提高可靠性,并进入样品生产阶段。


按照计划,B样将在今年完成开发,2022年完成C样的开发和测试验证,同时在2023年第二三季度完成D样生产,并在当年底实现量产。


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在公司一季报发布的同时,Aeva公司宣布拿到了一家未披露公司名称的客 户订单协议,为后者的自动驾驶项目提供4D激光雷达方案。


考虑到奥迪ARTEMIS项目负责人在关键时刻加入了Aeva公司的顾问委员会,也透露出这个未披露客 户名单的项目关联性。


奥迪预计2024年前后量产全新一代旗舰车型、大众ID Buzz自动驾驶车队也计划在2025年前后投入规模化商用,这与Aeva的量产时间点基本吻合,大概率秘密项目来自于大众或者奥迪。


二、市场阵营各自站队


目前,大多数激光雷达公司选择脉冲激光雷达系统,其波长为905纳米,也已经小批量进入前装量产阶段。同时,光源成熟安全可靠,满足车规级、体积小、成本可控、产业链成熟、人眼安全,并获得市场验证。


同时,考虑到传统APD探测器存在的一些性能瓶颈,一些公司已经采用新型SiPM,比APD的灵敏度提升了1000倍,用以提升系统信噪比,同时解决了SiPM Array和SPAD的串扰导致的强光雪花噪点甚至致盲的问题。


如果转换到视网膜安全级别的1550nm波段,脉冲功率可以达到200到300米,而固态扫描技术的进步将持续降低成本(Luminar就是采用类似技术路线)。不过,有行业人士指出,基于飞行时间的脉冲激光雷达可能仍无法满足自动驾驶的苛刻要求。


在Aeva公司看来,调频连续波(FMCW)激光雷达,避免了高峰值功率对眼睛的危害,同时,这种类型的相干检测也比直接检测灵敏得多,而且性能更好,包括单脉冲速度测量和抗眩光、其他光源的干扰。


不过,任何一项技术都面临着各自的特殊挑战。


现有的FMCW激光雷达的相干长度限制在100米左右,这可能会将其范围限制在50米左右——这是一个严重的限制。目前脉冲激光雷达的范围为60到100米,相比而言能够满足一定条件下的探测需求。


这也是为什么Aeva公司在筹划(通过特殊目的公司借壳)上市时,特意强调短期内可能会在消费级应用市场推出低成本的短距离激光雷达产品。同时,预计到2023年的SOP时间点也晚于其他同行。


此前有报道称,更先进的信号处理技术可以将FMCW激光雷达的探测范围在现有基础上扩大10倍,从而达到高速自动驾驶场景的需要。


“在很多方面,FMCW激光雷达要实现量产并满足汽车行业的高要求,还非常困难,包括对激光源有更严格的要求,”一些行业人士表示。


一种可用的方法,是集成光子学的固态扫描方法(光学相控阵),也被称为芯片级FMCW激光雷达。当激光穿过波导时,它们对其相位调制,使阵列输出端的光束成形并重定向。


考虑到激光雷达感知不仅仅是测距范围远,还要考虑远距离的分辨率问题。为了做到这一点,一些企业尝试在快速轴上使用固态扫描,在慢轴上使用机械扫描,以实现对远场感兴趣的物体的高分辨率扫描。


不过,客观来说,光学相控阵技术距离成熟应用还需要几年的时间,此外,还要考虑成本因素。比如,FMCW激光雷达还需要一个具有良好偏振控制和非常长的相干长度的可调谐激光器。


目前,Aeva公司的FMCW激光雷达就是搭载一颗高度集成化的光子芯片,一方面降低了设备的尺寸和功率数量级,同时在低反射物体上实现超过300米的全范围性能,并能够测量每个点的瞬时速度。


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“我们方法的一个关键区别是打破了最大距离和点密度之间的依赖关系,这一直是飞行时间和FMCW迄今为止的一个障碍。”Aeva公司联合创始人Mina Rezk表示。


Aeva公司在芯片上集成了多个光束,每个光束都能在超过300米的距离内以每秒超过200万个点的速度测量。目前,该公司已经完成了第三代芯片模块的设计研发,测距范围也提高至500米。


此前,自动驾驶公司Aurora也宣布收购了另一家FMCW激光雷达公司Blackmore,同样声称:“这种改变游戏规则的技术使这一切成为可能。”


FMCW激光雷达之所以如此强大,是因为传感器是单光子敏感的,这意味着它们可以探测到尽可能少的光。此外,与传统AM激光雷达不同,FMCW激光雷达为每个数据点即时提供非常精确的速度。


同时,对于传统AM激光雷达存在诸如“幽灵”对象或报告在错误位置的对象等问题,FMCW激光雷达不需要增加额外的硬件、复杂的软件和更多的计算能力来处理干扰数据。


如果返回的光不匹配最初传输的时间、频率和波长,FMCW激光雷达知道过滤掉那个数据点,这意味着能够实现更精确的目标检测。


此外,另一家激光雷达公司——洛微科技也通过将硅光相控阵扫描芯片(OPA)、连续波调频相干探测芯片(FMCW)和晶圆级微纳光学,光系统级封装等技术融合,自主研发了纯固态成像级LiDAR。


洛微科技基于硅光子技术相应开发了可与OPA单芯片集成的连续波调频(FMCW)相干探测芯片。依靠成熟的硅半导体CMOS工艺的硅光子技术,OPA芯片大量集成波长尺度的光学功能,解决了高分辨率和大视场角的光信号覆盖问题;


而FMCW的相干探测(Coherent Detection)芯片则可以解决高质量的测距问题。FMCW是利用产品内部的部分发射光对返回的信号进行相干放大,使激光雷达可以使用人眼安全的低光功率探测更远的距离。


同时,2021年1月,Mobileye正式发布了与母公司英特尔合作开发的硅光子多通道FMCW激光雷达芯片。也恰好证明了主流厂商对于硅光子技术路径的认可和关注。


在洛微科技看来,总体上,OPA+FMCW的方案解决了高分辨率和大视场角的光信号覆盖问题和测距问题,具备极佳的抗互扰和抗日光特性,以及直测速度,高可靠性等性能优势。


软件定义激光雷达的趋势以及FMCW多普勒技术的独特竞争优势,是这几家公司押注下一代高性能车规级激光雷达的赌注。

来源:高工智能汽车

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