2021年03月11日 | Quanergy优化OPA Lidar，200米射程不在遥远

近日，Quanergy公司发布了最新固态激光雷达，在兼容cmos的硅光子集成电路(PIC)中使用光学相控阵(OPA)。Quanergy已经展示了100米的射程，并计划在今年年底前实现200米射程。

Lidar是光探测和测距的首字母缩写，是一种传感技术，通过发射低功率激光脉冲，测量激光完成传感器和目标之间往返所需的时间。由此产生的聚合数据用于生成点云的3D图像，提供空间位置和深度信息，以识别、分类和跟踪移动目标。Quanergy Systems为实时三维物体检测、跟踪和分类提供激光雷达传感器和智能传感解决方案，并在其产品中采用扫描和固态技术。

汽车行业为激光雷达制造商设定了非常具有挑战性的目标。例如，他们需要检测150米外的黑色轮胎，让自动驾驶汽车避开它。此外，激光雷达传感器必须具有高度的抗振动能力，而且还有保持非常低的制造成本，才能使其适用于日常的乘用车。

其固态产品背后的OPA技术被许多人视为激光雷达技术的“必杀技”，因为它可以提供运输行业所需的性能、可制造性、抗振动能力和成本目标。

OPA是相控阵雷达的光学模拟。相控阵有多个固定的天线单元，它们被提供等强度的相干信号，并在每个单元上使用可变相位或延时控制来产生任意远场辐射图并在空间中扫描。相控阵技术已经成功地在汽车雷达上进行了低成本的大规模商业部署，这在很大程度上是将雷达从机械状态向固态状态迈出了革命性的一步。

在接受采访时，Quanergy首席开发官兼联合创始人Yu Tianyue博士强调了OPA-LiDAR技术作为3D世界感知设备的特点。Quanergy最新的OPA技术进步已经证明了移动应用的相关性能水平。当前技术节点已实现100m射程。新的发射极和探测器芯片迭代将于2021年完成，探测范围将超过200米，所有目标在明亮的阳光条件下都有10%的反射率。”

由于没有运动部件，基于OPA的固态激光雷达比机械激光雷达更耐用和可靠。此外，它还允许快速扫描，体积小，价格更低。“我们认为，在当前阶段，机械激光雷达是当今部署的主力。但最终，固态激光雷达平台是激光雷达最终民主化的关键，因为它的成本低，可靠性高。”

激光雷达的测量原理

车用激光雷达工作原理就是蝙蝠测距用的回波时间（Time of Flight，缩写为TOF）测量方法。即物体、粒子或电磁波在介质中传播一定距离所需要的时间。对人畜无害的红外光束Light Pluses发射、反射和接收来探测物体。能探测的对象：白天或黑夜下的特定物体与车之间的距离。甚至由于反射度的不同，车道线和路面也是可以区分开来的。哪些物体无法探测：光束无法探测到被遮挡的物体。

ToF与FMCW(调频连续波)技术不同，后者是根据反射信号相对于发射信号所经历的相移(多普勒效应)来测量距离。尽管FMCW激光雷达已经存在了很长一段时间,但ToF激光雷达提供优越的性能由于快速激光脉冲传输(每秒几百万脉冲),敏捷扫描,更高的回报振幅和能力应用感兴趣的高密度区域(ROI)。

远程目标的检测、采集、分类和跟踪强烈依赖于发射脉冲的频率:更高密度的激光脉冲(分布在空间和/或时间)提供更多的信息，允许更快的检测时间和更好的噪声过滤。激光雷达具有精度高、分辨率高、三维目标检测、在恶劣环境和光照条件下的高性能、传感距离长等优点。

但要知道光速是每秒30万公里。要区分目标厘米级别的精确距离，那对传输时间测量分辨率必须做到1纳秒。要如此精确的测量时间，因此对应的测量系统的成本就很难降到很低，需要使用巧妙的方法降低测量难度。下面一机械旋转类型为例： 

通过旋转的机械镜面测量激光发出和收到回波的时间差，从而确定目标的方位和距离。由于激光雷达主动发射激光，因此受环境光变化的影响小，测距精确。

关于Quanergy光学相控阵（OPA）固态激光雷达工作原理请看小视频

激光雷达技术

我们先来对激光雷达进行一下解剖，看看它的组成。

典型激光雷达LiDAR系统组成括激光发射光源、接收器、伺服电机、斜面镜和光学旋转编码器（又称圆光栅）。

激光雷达LiDAR关键部件按照信号处理的信号链包括控制硬件DSP（数字信号处理器）、激光驱动、激光发射发光二极管、发射光学镜头、接收光学镜头、APD（雪崩光学二极管）、TIA（可变跨导放大器）和探测器。其中除了发射和接收光学镜头外，都是电子部件。随着半导体技术的快速演进，性能逐步提升的同时成本迅速降低。但是光学组件和旋转机械则占具了激光雷达的大部分成本。

与基于摄像的光学系统相比，激光雷达能够在恶劣环境和光照条件下工作，包括大雨或深夜。此外，激光雷达传感器提供了高精度和出色的角度分辨率，使该技术适用于多个应用，如:地图、智能城市、智能空间、安全、工业自动化、自动驾驶汽车和交通运输。

扫描激光雷达使用机械旋转来旋转传感器，允许360°检测。这种技术提供了高扫描速率，即使使用更高功率的激光器也是非常安全的，因为光不是只在一个方向传输。

Quanergy的固态激光雷达采用了cmos兼容的硅光子集成电路中的光学相控阵(OPA)。“光学相控阵技术通过大量相控光学天线元件发射的光束之间的干扰实现电子波束形成和转向。一旦发射出来，定向光束会击中路径内的物体，然后反射回来。接收反射光束并进行处理，以测量飞行时间，实现实时3D绘图、目标检测、分类和跟踪。许多激光雷达传感器可以集成到任何车辆的设计中，根据需要提供360度周围覆盖。”

如图所示，通过这种技术，激光束被引导，在没有移动部件的情况下扫过传感器的视角。通过控制组成天线阵的各个发射模块的相位，可以控制激光束并产生任意远场辐射图。

Quanergy以基于OPA的激光雷达而闻名，提供包括硬件传感器和3D感知软件在内的产品组合。Quanergy的传感器和基于人工智能的智能感知软件技术可以结合在一起，为智能城市、智能空间、安全和工业自动化等行业创造复杂的解决方案。

S系列包括100%固态激光雷达传感器，基于OPA技术。Yu强调，这些传感器采用了电子束转向，没有运动部件，因为它们具有卓越的鲁棒性和可靠性。Quanergy基于OPA的s系列传感器不受振动影响，可提供超过100,000小时的平均故障间隔时间(MTBF)。此外，可伸缩的CMOS硅工艺使大规模生产具有成本效益。

基于OPA的激光雷达应用

Quanergy的3D流程管理平台由人工智能算法驱动，提供模块化、可扩展和高级感知解决方案，可对人员计数、对象检测、分类、跟踪等进行实时分析。流量管理平台包括M系列机械传感器与Qortex DTC(检测，跟踪，分类)软件和S3-2固态传感器与Qortex人计数器解决方案。这种软硬件结合的解决方案适用于零售、机场、公共场所、商业和政府大楼以及工业设施的广泛应用。

在充足的阳光下，无论是在漆黑的室内还是在明亮的照明条件下，Qortex的People Counter解决方案都能提供超过98%的精度。它作为Quanergy流量管理平台的组成部分，适合户外智能空间应用。

除了流程管理，基于OPA的激光雷达解决方案的其他相关应用包括工业(港口自动化、测量、仓库自动化、无人地面车辆和自主移动机器人)和运输(ADAS、机器人出租车、自动代客停车和自动驾驶)领域。

例如，在如采矿、农业和建筑，以及自动移动机器人等无人地面车辆(UGV)应用领域，这些对振动的高度免疫力至关重要。下图显示了一个汽车激光雷达应用程序，该设备为目标检测、分类和跟踪提供了三维映射。多个传感器可以集成到车辆中，提供360°视野。

Lidar技术未来需要解决的两大因素

1.绕不开的基础专利

Lidar内部组件繁多，对专利要求也很高，当然竞争也异常激烈。这里的专利大户当属Velodyne基础专利。此次专利大战的主角Velodyne可以说是美国政府通过自动驾驶挑战赛一手扶植起来的业界老大。2007年Velodyne申请的基础专利US7969558囊括了几乎所有高精度激光雷达所需的基础技术。其实并不是针对国内的禾赛和速腾聚创，国外的谷歌Waymo和Uber都被拉进了专利之争。

2.还是贵

最早由谷歌提出的自动驾驶汽车基于置于车顶的360度机械旋转激光雷达实现。它的性能非常好，但是相应的也具有成本过高（几千美元级别），体积大、外部可见等劣势。因此激光雷达成本问题亟待解决，固态化成为大势所趋。