點擊藍字 關(guān)注我們
自主性帶來的好處源于兩個重要方面的進步，即便利和安全，這兩方面與道路車輛和駕駛息息相關(guān)。這兩方面所應用的賦能技術(shù)包括先進的傳感器模式，其中多種傳感形式協(xié)同工作，提供了系統(tǒng)性功能。
汽車行業(yè)已經(jīng)開始向全自動駕駛轉(zhuǎn)變，目前行業(yè)內(nèi)生產(chǎn)的車輛達到了SAE International規(guī)定的Level 2和Level 2 自主性。要想實現(xiàn)全自動駕駛，需要引入四種關(guān)鍵的傳感技術(shù)，并拓寬應用范圍：超聲波、雷達、激光雷達(LiDAR)和視覺。在這四種技術(shù)中，LiDAR或許是人們最不理解、應用最不廣泛的技術(shù)，但獨特的能力使其成為打造先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)體驗的重要的一環(huán)。
全自動駕駛汽車可能需要超過20個單獨的雷達系統(tǒng)，但根本問題在于，雷達空間分辨率的局限性使它仍得不到廣泛應用。而在這方面，LiDAR的性能遠遠超過雷達，能夠提供高分辨率的深度圖像。安全系統(tǒng)越來越受到重視，除了能夠知道物體的存在之外，還需要能夠?qū)ξ矬w進行分類和識別，這變得尤為重要。
雖然基于圖像傳感器的視覺系統(tǒng)可以借助傳感器套件提供最佳分辨率，但在夜間，由于缺少環(huán)境光，視覺系統(tǒng)將受到限制。相反，LiDAR系統(tǒng)能自產(chǎn)光源，因此受環(huán)境光條件的影響較小。LiDAR本身還能提供深度信息，而基于圖像傳感器的視覺系統(tǒng)只能看到場景的2D視圖，雖可以根據(jù)立體配置間接計算深度，但會降低深度準確性。
了解LiDAR
想要了解LiDAR技術(shù)對先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)應用的益處，首先需要了解LiDAR的工作原理。顧名思義，LiDAR使用光來探測距離。它用光源發(fā)出光線，觸及視線內(nèi)的物體而后反射，然后測量光線從發(fā)出到返回傳感器所用的時間。這統(tǒng)稱為飛行時間(ToF)，可以在不同分辨率水平下探測大型物體，如粗略測量與障礙物之間的距離，或探測像人臉3D特征這樣精細的細節(jié)。
深度探測可以通過各種方式實現(xiàn)，而每種方式各具優(yōu)點。除了ToF之外，深度探測還使用兩個圖像傳感器來模擬立體視覺，使用結(jié)構(gòu)光來探測物體造成的變形，以及在像素級別進行相位檢測(圖1)。
圖 1：測量深度感知的技術(shù)方法
關(guān)于ToF，所使用的技術(shù)有兩種：直接ToF和間接ToF。直接ToF(dToF)中的光源為脈沖式，模式中有明確的開/關(guān)時間。這些開/關(guān)時間使接收器能夠探測到光源開啟到檢測到反射光的時間差。在間接ToF中，光源以正弦波的形式連續(xù)發(fā)射，通過測量光源和反射信號之間的相位差來計算距離。在這兩種情況下，無論是直接還是間接，都是借助光離開發(fā)射器后到達探測器所用的時間來提供距離數(shù)據(jù)。
使用dToF來解釋距離數(shù)據(jù)更加簡單，雖然它可以只需發(fā)射一次就能獲得數(shù)據(jù)，但如果重復發(fā)射，結(jié)果會更準確。另外，如果使用脈沖光，LiDAR系統(tǒng)的測距范圍會顯著擴大，但必須配備用于捕獲光子的合適傳感器。換言之，脈沖式dToF比利用單次發(fā)射的dToF復雜，但比間接ToF要簡單。另一個重要的考慮因素是工作波長，因為這也會影響性能和系統(tǒng)的應用方式(圖2)。
圖2：dToF系統(tǒng)中使用的波長
如圖2所示，在905 nm左右的近紅外(NIR)波長下工作的傳感器是一個很不錯的折衷方案。暴露在雨天和陽光下的應用中，NIR在衰減程度和抗干擾方面性能適中。這表明在汽車應用中，對NIR敏感的傳感器是最佳選擇。
LiDAR傳感器技術(shù)
檢測硅中的光子通常借助光電二極管來實現(xiàn)。光子很容易被硅吸收，進而在P-N結(jié)中造成電子空穴對。通過對P-N結(jié)施加反向偏壓，由光子產(chǎn)生的電荷載體就會導致電流在通道中流動。
如果偏壓足夠高，產(chǎn)生的電荷載體將會產(chǎn)生刺激碰撞電離所需的動能。這種電離會釋放更多電荷載體，在適當?shù)臈l件下，這些載體會在整個偏壓下的硅芯片區(qū)域持續(xù)存在，導致?lián)舸┎⑹构杈邆涓邔щ娦?。這個過程稱為蓋革放電或雪崩，基于該過程的設(shè)備稱為單光子雪崩二極管(SPAD)。
由于SPAD具有非線性傳輸行為，因此增益高于以線性模式在低于其擊穿電壓的條件下工作的傳統(tǒng)雪崩光電二極管。這意味著SPAD性能更優(yōu)，因為它甚至可以探測到由單個光子組成的反射信號。同時也有助于擴大LiDAR系統(tǒng)的測距范圍，可以“看到”更遠距離的低反射率物體。
安森美(onsemi)通過開發(fā)硅光電倍增器(SiPM)，進一步完善該方法。SiPM集成了一個并聯(lián)獨立SPAD傳感器陣列，每個均采用二進制開關(guān)式的工作方式。根據(jù)陣列總輸出，可以計算光信號的相對強度。此外，通過對SiPM陣列中的每個SPAD配備第三個電容耦合式端子，響應速度得以提高。這種快速響應輸出中會攜帶測量傳感器響應時間所需的數(shù)據(jù)。
讓LiDAR為汽車服務
在市場上廣泛采用LiDAR的關(guān)鍵是以高產(chǎn)量大批量生產(chǎn)基于光電二極管傳感器的能力。安森美開發(fā)的SiPM傳感器已針對NIR優(yōu)化，在905 nm波長范圍具有高靈敏度，單光子增益達到10?。經(jīng)過設(shè)計，它還能在相對較低的30 V偏置電壓下運行，由于其恢復時間快，還能提供出色的帶寬。
從技術(shù)角度而言，具備以上特點的SiPM適合汽車應用，但它也需要在商業(yè)上可行。阻礙LiDAR廣泛采用dToF的主要障礙之一就是價格，但這可以通過兩種方式解決。第一，采用互補型金屬氧化物半導體(CMOS)工藝，傳感器陣列的單位成本得以優(yōu)化。第二，安森美開發(fā)了有效的制造工藝，可提升所生產(chǎn)傳感器的均勻度，使傳感器的成本效益得到提高。因此，在提高質(zhì)量的同時優(yōu)化了成本結(jié)構(gòu)。
//
總結(jié) //
LiDAR是汽車行業(yè)的一項基本技術(shù)。通過開發(fā)有效可行的固態(tài)傳感，安森美已經(jīng)解決了許多阻礙其廣泛采用的障礙。
SiPM技術(shù)能實現(xiàn)更小的系統(tǒng)，更低的功率，將使新一代的LiDAR系統(tǒng)比現(xiàn)如今使用的系統(tǒng)更小。最終，這些系統(tǒng)將小到以不易察覺的方式與車輛渾然一體，而且可靠性卻更勝以往。
自動駕駛車輛將需要多種傳感方式，超聲波、雷達和視覺已經(jīng)十分普遍，但隨著自主性水平的提高，LiDAR也將成為一項關(guān)鍵技術(shù)。如今，通過投資開發(fā)SiPM方案，安森美鞏固了其作為汽車OEM系統(tǒng)供應商的領(lǐng)導地位，因為我們正向著Level 5完全自主性的方向進發(fā)。
本站聲明： 本文章由作者或相關(guān)機構(gòu)授權(quán)發(fā)布，目的在于傳遞更多信息，并不代表本站贊同其觀點，本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者，如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益，請及時聯(lián)系本站刪除。
下載文檔
