全固態(tài)激光雷達新配方，奧銳達推國產(chǎn)單光子面陣技術(shù)方案

近日，深圳奧銳達科技有限公司（下稱“奧銳達”）正式發(fā)布單光子面陣固態(tài)激光雷達技術(shù)方案（下稱“方案”）。該方案創(chuàng)新性地融合VCSEL與SPAD技術(shù)架構(gòu)，實現(xiàn)了分辨率和探測距離的顯著突破，并在功耗、體積等工程化特性上有突出表現(xiàn)。

值得關(guān)注的是，奧銳達全固態(tài)激光雷達樣件Ordarray的實測Demo視頻也在奧銳達官網(wǎng)首次亮相。視頻中展示了Ordarray實時重建百米級范圍內(nèi)的實時路況點云圖過程。

圖注：奧銳達全固態(tài)激光雷達樣件Ordarray

VCSEL+SPAD技術(shù)，實現(xiàn)遠距離單光子探測

在全固態(tài)激光雷達領(lǐng)域，目前主流的技術(shù)路線為包括OPA 光學(xué)相控陣技術(shù)、 Flash 快閃技術(shù)等。其中，OPA 光學(xué)相控陣技術(shù)技術(shù)難度高，成本居高不下；Flash快閃技術(shù)則因其發(fā)射面陣光源的物理特性，能量分散，探測距離則較為受限。

奧銳達的激光雷達采用創(chuàng)新性的VCSEL+SPAD技術(shù)方案。其中，多節(jié)可尋址VCSEL（Addressable VCSEL）通過可控的多光束掃描技術(shù)，對外發(fā)射VCSEL 激光器的點陣多光束光源；同時，探測器可以開啟與發(fā)射相對應(yīng)的區(qū)域，接收目標(biāo)反射光；最終通過電子掃描，完成整個視場范圍內(nèi)的激光雷達點云獲取。

圖注：VCSEL+SPAD的可控多光束掃描技術(shù)圖解

這種可控的多光束掃描光源被稱為可尋址VCSEL（Addressable VCSEL）。相較于Flash方案，可尋址 VCSEL激光器的發(fā)射光峰值功率密度和信號信噪比均顯著提高。這也意味著，在相同的功率下，奧銳達的激光雷達方案可以實現(xiàn)更遠的探測距離。此外，這種掃描方式有助于芯片化和小型化，最大限度地減少了外圍電路的復(fù)雜程度，實現(xiàn)全固態(tài)掃描。

在接收端，奧銳達的方案采用了SPAD（Single Photon Avalanche Diode, 即單光子雪崩二極管）陣列傳感器，從而使得激光雷達具備單光子探測能力，探測靈敏度大幅提升。

實際探測過程中，奧銳達的激光雷達探測系統(tǒng)，可以在亞毫秒/毫秒級的時間段內(nèi)，使用可尋址VCSEL光源打出去成百上千個光脈沖。從目標(biāo)反射回來的激光脈沖信號被對應(yīng)區(qū)域的SPAD像素接收，以一定的概率觸發(fā)像素發(fā)生雪崩事件，完成光子計數(shù)。最終，系統(tǒng)通過排序累積形成能夠完成接收脈沖信號波形重構(gòu)的直方圖，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的測距。

圖注：智能汽車傳感器示意圖

TCSPC動態(tài)調(diào)整，合理分配系統(tǒng)能力

從技術(shù)角度出發(fā)，發(fā)射+接受脈沖光信號的次數(shù)越多，系統(tǒng)對波形的重建也越準(zhǔn)確，測距能力也越強。但是，累積次數(shù)過多也會導(dǎo)致系統(tǒng)幀頻的下降。

為此，奧銳達的激光雷達方案可以通過調(diào)整 TCSPC（Time-Correlated Single Photon Counting，時間相關(guān)單光子計數(shù)器）次數(shù)動態(tài)，來設(shè)置不同探測區(qū)域的測距性能。

在實際行車過程中，智能汽車對不同視角、不同環(huán)境下的測距需求是不同的。在需要更多深度信息的區(qū)域，Ordarray可以打上更多脈沖光信號；在邊緣區(qū)域，Ordarray可合理降低信號的發(fā)射與接收頻次，使得系統(tǒng)能力通過動態(tài)調(diào)整得到合理分配。

目前，奧銳達已經(jīng)完成全套技術(shù)鏈路的驗證。基于業(yè)界先進的標(biāo)準(zhǔn)CMOS半導(dǎo)體工藝制作的可量產(chǎn)的VCSEL激光器，SPAD陣列型傳感器和芯片，奧銳達的單光子面陣激光雷達技術(shù)已經(jīng)攻克了在較小體積和功耗條件下高幀率的激光發(fā)射、接收、信號處理的各項技術(shù)難關(guān)。

圖注：Ordarray在靜止與行駛狀態(tài)下生成的點云圖。

值得一提的是，基于單光子面陣雷達的特殊成像模式，Ordarray可同其他激光雷達、高清攝像頭等高精度傳感器協(xié)同工作，大幅降低旋轉(zhuǎn)和混合固態(tài)式激光雷達與其它異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)定融合的困難，使得智能汽車處理中樞完成多類傳感器的數(shù)據(jù)前融合。在多傳感器的加持下，Ordarray可以全面提升智能汽車對行人、障礙物和小型物體的檢測能力，從而提升自動駕駛的安全冗余及容錯率。

全固態(tài)模塊化設(shè)計，更小巧、更靈活、更易裝車

目前，奧銳達已經(jīng)成功實現(xiàn)大規(guī)模固態(tài)面陣激光雷達的集成設(shè)計。Ordarray采用全固態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計，機身內(nèi)部沒有任何機械旋轉(zhuǎn)運動部件。這直接降低了車載激光雷達產(chǎn)品的體積、故障率，全線提升產(chǎn)品可靠性。

Ordarray還采用模塊化創(chuàng)新設(shè)計，重構(gòu)了發(fā)射模塊、接收模塊、信息處理模塊等內(nèi)部空間，以適配不同車型對于激光雷達的探測要求。奧銳達設(shè)計了多款接口完全兼容的收發(fā)鏡頭。按照不同的性能需求，只需要更換光學(xué)鏡頭，即可精準(zhǔn)獲取不同視場角及探測范圍內(nèi)的點云數(shù)據(jù)，從而大幅降低廠商的適配成本。

圖注：奧銳達Ordarray的攝像頭可以拆解更換，以適配不同需求。

為了解決固態(tài)激光雷達的量產(chǎn)難題，奧銳達結(jié)合多年3D視覺類產(chǎn)品大規(guī)模量產(chǎn)經(jīng)驗，自主研發(fā)機器視覺自動化裝調(diào)方案，減少繁瑣的人工校準(zhǔn)等程序，從而輕松實現(xiàn)激光雷達裝調(diào)，大幅提升激光雷達的可量產(chǎn)性。

針對固態(tài)激光雷達，奧銳達將在今年對技術(shù)和產(chǎn)品進行兩輪迭代；在推進產(chǎn)品研發(fā)的同時，奧銳達車規(guī)級工廠和產(chǎn)線也提上議程，預(yù)計到2022年，符合 IATF 16949 標(biāo)準(zhǔn)的車規(guī)級產(chǎn)線將逐步投產(chǎn)。

圖注：奧銳達通過自動化裝調(diào)方案，提升產(chǎn)品可量產(chǎn)性。

深圳奧銳達科技有限公司是奧比中光科技集團股份有限公司的控股子公司。作為國內(nèi)領(lǐng)先的車載3D視覺傳感器方案提供商，奧銳達自2019年4月成立起一直致力于創(chuàng)新的激光雷達和車載3D攝像頭底層核心元器件和新型架構(gòu)的設(shè)計，公司產(chǎn)品包括面向移動機器人行業(yè)和汽車行業(yè)的激光雷達和車規(guī)級3D TOF攝像頭。