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潮科技 | 东芝、美国CU-Boulder团队经济型自动驾驶系统研发进展

晰数塔互联网快讯
2020-07-24 14:59

图 | MEMS

编者按：本文来自微信公众号“MEMS”（ID：MEMSensor），作者麦姆斯咨询王懿，原文题目《激光雷达研究者的“同一个梦想”：经济型自动驾驶系统》，36氪经授权发布，略有删减。

据麦姆斯咨询报道，尽管沃尔沃表示将在2022年之前将Luminar的激光雷达（LiDAR）模组集成到其部分汽车中，但Elon Musk并不关心激光雷达；激光雷达是基于光的回波定位技术，在概念上与雷达相似。雷达与激光雷达最大的区别在于：雷达是基于无线电波，其频率比激光雷达使用的光波频率要低得多。低频波在雾、烟、霾、雨、雪等恶劣环境中探测能力更强。当存在这样的环境障碍物时，光波就不能很好地发挥作用。

与雷达相比，激光雷达的优势在于可以创建更精确的物体表征（图像）。但目前的激光雷达模组价格昂贵，每台售价高达上万美元。更糟糕的是，激光雷达的视场往往相对狭窄，这意味着需要同时使用多个模组，以确保引导自动驾驶汽车安全地行驶。

想象一下，如果一款广角激光雷达的成本只有几百美元，这将推动自动驾驶汽车时代的到来！目前有两支研究团队表示，他们所研发的产品正在接近这个目标。本文将介绍这两支团队针对激光雷达的最新研究进展。

东芝团队的研究进展

介绍东芝的激光雷达研究并非因为其研究优于其他公司，而是由于东芝是一家公认的电子产品制造商，并在量产产品制造方面拥有数十年的经验。东芝宣称“东芝的先进光接收技术可使固态激光雷达不再依赖机械部件。”东芝表示，其新款激光雷达拥有紧凑、成本低、安装简单等优势，适用于各类汽车应用。

由于不再依赖笨重的机械部件，该技术节省了成本和空间，同时还提升了运行可靠性。其核心技术便是东芝专有的紧凑型高效硅光电倍增管（SiPM）。一般来说，SiPM具有很高的光敏性，因此适于远距离探测。

然而，由SiPM组成的光接收单元在被触发后需要一定的恢复时间，另外在强环境光条件下也需大量的光接收单元，这是因为它们必须具有备用单元才能及时对反射的激光做出响应。东芝的SiPM采用一种晶体管电路来重启单元，以缩短恢复时间。该光接收单元工作效率更高，所需单元数量更少，因此SiPM尺寸更小，如图1所示。这样就在保持高灵敏度的同时实现了更高分辨率的SiPM阵列，如图2所示。

MEMS

该激光雷达原型的现场测试使用了市售镜头（从广角镜头到长焦镜头），此次测试证明该系统的有效距离最远可达200米。这是目前在售固态激光雷达系统可达探测距离的四倍，同时还保持了高分辨率。

使用市售镜头免除了复杂的定制程序，从而使该激光雷达系统可应用于各类自动驾驶汽车。这项技术与生具有的紧凑性使其可在车辆的许多位置安装，而以往选择激光雷达的安装位置也是重大挑战；这还将扩大激光雷达在汽车领域以外的应用。东芝计划在2022年开始生产其新款紧凑型激光雷达模组。

东芝新款紧凑型激光雷达介绍视频链接

美国CU-Boulder团队的研究进展

科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder，简称CU-Boulder）的研究人员也表示，他们在激光雷达技术上取得了突破性进展。研究成果以题为“Serpentine optical phased arrays for scalable integrated photonic lidar beam steering”发表于Optica，论文地址为：https://doi.org/10.1364/OPTICA.389006。研究人员表示，他们一直在研究一种激光束操纵的新方法，被称为“光波操纵（wavelength steering）”，即为每种激光波长（或光的颜色）指向某个特定的角度。

CU Boulder的研究者开发出一种方法，可同时沿两个维度（代替了一个维度）并使用“彩虹”模式来拍摄3D彩色图像。由于光束易通过改变颜色来控制，因此可通过同时控制多个相控阵来产生更大的孔径和更高分辨率的图像。“我们已经找到了如何将这种2D彩虹放入极小尺寸芯片中的方法。”这项研究的共同作者、电子和计算机工程教授Kelvin Wagner表示。

“电子通信已到了绝对极限。光学必将发挥巨大作用，这就是众多大厂商均致力于硅光子学技术工业可行性研究的原因。”这项研究的共同作者、波士顿大学（Boston University）工程学副教授Miloš Popovic表示。这些硅芯片的制造工艺越简单、尺寸越小，同时还能在成像中保持高分辨率和精度，它们就能应用于更多的技术场景，如自动驾驶汽车和智能手机。据说，iPhone 12将采用激光雷达技术来增强面部识别。

“我们提出了一种利用芯片技术实现激光雷达可扩展性的方法。而这仅是第一步，是该方法的第一块基石。”这项研究的第一作者Nathan Dostart认为，“该研究还有很长的路要走。”Nathan Dostart将在NASA位于美国Virginia的兰利研究中心（Langley Research Center）继续其研究。

博世（Bosch）等多家公司表示，他们已拥有先进的汽车激光雷达技术。斯坦福大学（Stanford）研究人员也曾表示，他们已在片上激光雷达技术中取得了良好的进展。尽管如此，在实验室完成的产品可能需要很多年才能实现商业化量产。根据最近的新闻，目前东芝的激光雷达技术兼具经济性和可扩展性，可能处于该领域的领先地位。

预计五年内，自动驾驶汽车的市场规模有望达到5000亿美元，但不受预定路线需求限制的完全自动驾驶汽车技术目前还未达到可接受的价格区间。也许这些研究中的某项成果就能解决这个问题。