固态 LiDAR 提供更简单的汽车传感解决方案

基于鲁汶的 XenomatiX 提供了它所谓的“真正的固体-状态 LiDAR 传感器”基于多光束激光器概念和无风险、可扩展的半导体技术。

具有挑战性的汽车应用，例如 ADAS 和自动驾驶，需要先进的范围和物体检测解决方案。其中，LiDAR（光探测和测距）系统发挥了相关作用。 LiDAR 也称为飞行时间 (ToF)、激光扫描仪或激光雷达，是一种传感技术，其主要任务是检测物体并绘制它们的距离图。这是通过用光脉冲（其宽度范围从几纳秒到几微秒）照射目标并测量反射返回信号的特性来实现的。从返回的光信号中提取有用信息的关键因素是脉冲功率、往返时间、相移和脉冲宽度。尽管有多种不同类型的 LiDAR 系统可用，但根据光束控制类型，它们可以分为两类：机械和光学 LiDAR。机械 LiDAR 依靠高级光学器件和旋转组件来创建高达 360° 的宽视场 (FOV)。相关的信噪比 (SNR) 在 FOV 上非常出色，但该解决方案体积庞大且笨重。相反，固态激光雷达没有旋转机械部件，提供高度的可靠性。即使他们的 FOV 减少了，也有办法克服这个限制。

本文将介绍一种由 XenomatiX 开发的名为真正固态的新型 LiDAR 技术，适用于 ADAS、自动驾驶和其他道路应用。需要注意的是，除了汽车应用外，LiDAR 技术还可用于 3D 航空和地理测绘、工厂安全系统、智能弹药和气体分析。

XenomatiX 方法

今天，大多数 LiDAR 系统都是机械的。他们使用纺丝头导致解决方案笨重、笨重且昂贵。为了克服这些限制，已经采用了诸如振荡镜之类的技术来缩小解决方案的尺寸。然而，它仍然是一个有点机械的装置。从一开始，XenomatiX 的理念就是，在汽车应用中，唯一的运动部件就是车辆。

在接受 EE Times Europe 采访时 XenomatiX 首席执行官 Filip Geuens 表示：“汽车有完全不同的要求，包括成本、尺寸和可靠性。必须根据这三个关键因素来选择 LiDAR 技术。这就是为什么我们觉得临时激光二极管和机械运动部件不是前进的方向。”

该公司成立于 2013 年，总部位于比利时鲁汶，引入了“真实”一词来识别固态激光雷达系统，该系统使用基于半导体的激光源和探测器构建，无需扫描或移动部件。这种新颖的解决方案采用了与传统光学 LiDAR 截然不同的方法，传统光学 LiDAR 使用顺序测量向一个方向发送激光，进行测量，然后移动到下一个位置。他们一步一步地测量和获取周围的场景。

“由于扫描机制是 LiDAR 系统的弱点，XenomatiX 的方法是消除引入多光束能力的扫描机制，它同时发出数千束激光束。”金斯说。 “这是我们引以为豪的真正创新。”

全场景“一闪”即可检测，不受短距离或大功率限制，距离超过200米，正常功耗。此外，与扫描激光雷达不同，高分辨率点云不需要时空校正后处理，允许更高的帧率并提供更好的校正。

因此，XenomatiX 的 LiDAR 不必像传统的“点测”光学系统那样快速移动。由于所有场景都是通过同时发送所有光束而不进行任何扫描来测量的，因此系统有更多的时间处理测量点的高分辨率网格。

“我们不需要最快的激光，因为我们有一个在全局快门模式下工作的 LiDAR，这意味着它可以在单帧中查看整个场景，”Geuens 说。 “这带来了一些不错的好处：我们的系统不受运动模糊的影响，而且我们不需要可以发出纳秒脉冲的极其强大的激光驱动器。”

XenomatiX 采用的方法是一种在运动中进行扫描的解决方案，因为它消除了扫描传感器在扫描模式中移动时造成的延迟时间。事实上，这个概念非常适合汽车应用，因为它消除了对运动进行补偿的需要：所有光束完全在同一时间发出，通过全局同时获取所有点快门。图 1 显示了 XenoLidar-X，这是一种没有移动部件的独立解决方案，可用于自动驾驶和工业应用。这种设计在照明和天气条件可能有很大差异的所有场景中都证明是有效的。它是 XenomatiX 下一代固态解决方案，具有我们同时投射的 15,000 束激光束。这将分辨率提高到水平和垂直 0.15° 的水平，符合当今最苛刻的市场要求。

图 1：XenoLidar-X（固态）

在其固态 LiDAR 中，XenomatiX 使用 VCSEL（垂直腔面发射激光器），这是众所周知的低功率激光源，具有非常好的耐用性和预期寿命，远优于传统的二极管激光器。

“由于我们有更多的时间进行测量，因此我们仍然可以将足够的能量放入激光束中，以进行远程测量，”Geuens 说。

XenomatiX LiDARs 被称为 6D LiDARs，这意味着它们提供两种类型的完美叠加输出。第一个是点云，一个包含所有检测到的激光点的 3D 几何图形。第二个是视觉2D相机图像。它可以被视为具有固有集成摄像头的 LiDAR，或者具有 LiDAR 性能且无视差误差的摄像头。冗余数据的可用性支持传感器融合，提供有力支持安全应用的补充信息。第 6 个 尺寸是物体的反射率，基于返回的激光量。

“我们的探测器是一种特殊类型的 CMOS，它是我们自己设计的像素。它就像一个能够在三维模式下运行的 CMOS 相机，给出每个检测点的坐标，”Geuens 说。 “它还可以在二维模式下运行，提供视觉图像。视觉图像和点云被发送到中央 ECU，在那里使用专有 AI 算法进行处理以进行自由空间或物体检测。”

XenomatiX 将其称为四维 AI，这意味着它在四维空间中执行模式识别，其中 x、y、z 坐标与反射激光束的强度相结合。该传感器还设计为在激光关闭时在 2D 模式下用作检测器。如果打开激光，系统可以使用相同的像素进行 3D 测量并生成三维点云。固态 LiDAR 还提供出色的可靠性，这是汽车应用中的一个关键因素。事实上，由于没有活动部件、使用 VCSEL（寿命长的激光器）以及 CMOS 技术的成熟，平均故障间隔时间 (MTBF) 非常好。

如前所述，具有移动部件的 LiDAR 提供的优势是宽广的视野，可以扩展到 360 度。旋转头允许观察所有方向。 XenomatiX LiDARs 仍然可以通过组合多个模块来获得更广泛的 FOV 以获得更高的覆盖范围。可以在车辆的角落放置多个激光雷达单元，以免产生盲区。

凭借灵活的模块化设计，XenomatiX 可以提供小型、轻便且面向未来的传感器，便于集成。该公司与 AGC、Marelli、Kautex 等一级汽车供应商建立了持续的合作伙伴关系，以开发完整、可定制、模块化和灵活的 LiDAR 解决方案。这些合作伙伴关系将推动 LiDAR 集成到车辆的挡风玻璃、后窗、格栅、前灯、尾灯和保险杠中。

>> 本文最初发表在我们的姊妹网站 EE时代欧洲。

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