Nature Communications | 車用激光雷達激光技術(shù)的演進：行業(yè)視角

逍遙設(shè)計自動化

引言
9 r, F# e" q( B" K+ s4 L9 g' e激光雷達技術(shù)在先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和自動駕駛汽車的發(fā)展中扮演著重要角色。本文探討車用激光雷達中使用的激光技術(shù)的演進，關(guān)注從行業(yè)角度看到的最新進展和未來前景，原文來自縱慧芯光，推薦有興趣的讀者進一步閱讀[1]。
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激光雷達簡介
激光雷達技術(shù)起源于20世紀60年代，最初應(yīng)用于氣象學和地形測繪。美國宇航局在阿波羅15號任務(wù)中集成激光雷達標志著其發(fā)展的重要里程碑。直到2010年代，激光雷達才開始應(yīng)用于商用汽車，并在2020年代逐漸在高端電動汽車中普及。
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. N) s* p/ {9 N$ G  u& M激光雷達系統(tǒng)提供實時點云圖像，包含物體深度和速度數(shù)據(jù)，對輔助駕駛和自動駕駛車輛都非常重要。全球激光雷達市場顯著增長，北美、亞洲和歐洲都涌現(xiàn)出了關(guān)鍵參與者。
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- B, @5 X$ ~# i. s, u圖1：四種基于VCSEL的激光雷達掃描方案及其性能。此圖展示了使用VCSEL進行激光雷達應(yīng)用的各種掃描方法。

商用激光雷達的激光技術(shù)
1 g0 V: \& y9 k; T* ~8 r商用激光雷達系統(tǒng)采用不同的激光技術(shù)，每種技術(shù)適用于特定的探測范圍：

1550納米光纖激光器：由于具有更高的眼睛安全功率限制，適合長距離探測。例如Luminar Iris和Seyond Falcon激光雷達產(chǎn)品。

905納米邊發(fā)射激光器(EELs)：與光纖激光器相比，為中長距離激光雷達提供更經(jīng)濟的解決方案。OSRAM的905納米三結(jié)EELs在第一代混合激光雷達系統(tǒng)中取得了成功。

垂直腔面發(fā)射激光器(VCSELs)：最初用于短距離激光雷達和手機及消費電子設(shè)備的3D傳感。多結(jié)技術(shù)的最新進展提高了功率密度和效率。

抗反射垂直腔面發(fā)射激光器(AR-VCSELs)：這項突破性技術(shù)降低了發(fā)散度并增強了亮度，擴展了基于905納米和940納米激光雷達的探測范圍和分辨率。
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' Q! U, |* y: ^& k% L4 R圖2：VCSEL功率和效率隨結(jié)數(shù)增加而提高。此圖顯示了VCSEL的功率密度和功率轉(zhuǎn)換效率如何隨結(jié)數(shù)增加而改善。

3 ]- K4 i+ n; F$ z3 [& @: \掃描方法的演進
激光雷達系統(tǒng)可以根據(jù)掃描方法分類：

機械激光雷達：涉及激光器、透鏡和傳感器的運動。

混合固態(tài)激光雷達：只有掃描MEMS/鏡子移動。

全固態(tài)激光雷達：無機械運動，掃描光束通過電控制。
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  v% W8 I& `, l4 {行業(yè)正從純機械激光雷達向混合和全固態(tài)解決方案轉(zhuǎn)移。混合固態(tài)激光雷達結(jié)合固態(tài)光源和MEMS或鏡子進行掃描，已經(jīng)獲得了普及。


圖3：光束參數(shù)積(BPP)與激光功率的關(guān)系。該圖比較了激光雷達系統(tǒng)中使用的各種激光技術(shù)的光束質(zhì)量和功率輸出。
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未來激光雷達激光技術(shù)的關(guān)鍵要求
1. 功率密度和功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)
更高的峰值功率可實現(xiàn)更大的信噪比和更長的探測范圍。多結(jié)VCSELs在功率密度和PCE方面顯示出顯著改進。商用VCSEL激光雷達的結(jié)數(shù)預(yù)計每18個月增加約兩個，類似于半導體行業(yè)的摩爾定律。

* m0 K3 I6 k! n2. 光束參數(shù)積(BPP)
BPP是決定激光雷達系統(tǒng)空間分辨率和范圍的關(guān)鍵因素。較低的BPP值可實現(xiàn)更好的分辨率、更長的范圍，并使用更小的透鏡。AR-VCSELs展示了出色的BPP和M2值，與傳統(tǒng)VCSELs相比，能夠?qū)崿F(xiàn)更長的距離和更高的分辨率。

3. 可靠性
汽車激光雷達激光器必須通過嚴格的可靠性測試，包括AEC-Q102標準。這涉及高溫工作壽命(HTOL)測試、濕度測試、溫度循環(huán)等。AR-VCSELs展示了令人印象深刻的可靠性，樣品經(jīng)受住了6000小時的HTOL測試，遠超AEC-Q102要求。
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) u; q# |7 m# M: N: N圖4：250微米直徑6結(jié)AR-VCSEL圓形陣列在加速條件下的HTOL可靠性測試。該圖顯示了AR-VCSELs在可靠性測試期間的歸一化功率和電壓隨時間的變化。

$ }" H* o, r2 T4 X/ U3 v/ I& O" @成本降低
/ }9 _  q/ A) B5 o激光雷達行業(yè)正專注于平衡距離能力和成本降低。過去十年，激光雷達成本已從超過10,000美元降至目前的500至1,000美元范圍。目標是在未來幾年將成本進一步降低到約100美元，這可能將乘用車激光雷達的滲透率從目前的0.5%提高到10%以上。
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) q; K5 Y  B6 p+ U' Q. GVCSELs和AR-VCSELs在與光纖激光器和EELs的成本降低競爭中處于有利地位。較小的面積/功率比和在消費市場已建立的成本效益使之成為有望與4D毫米波雷達達到成本平價的候選者，同時提供更優(yōu)的角度分辨率和準確性。

0 x% }# J# l+ y; {  F未來趨勢和挑戰(zhàn)
1. 替代1550納米光纖激光器：預(yù)計在短期內(nèi)，905納米/940納米VCSELs將迅速替代1550納米光纖激光器。
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+ d+ L& m: X( x% L. z+ I* w2. EELs和AR-VCSELs之間的競爭：905納米EELs與MEMS解決方案在成本方面可能會與VCSEL解決方案競爭一段時間。
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3. 注重成本降低：一旦滿足200-300米距離要求，行業(yè)將優(yōu)先考慮成本降低，而非進一步提高分辨率和范圍。
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4. VCSEL技術(shù)的進步：多結(jié)和AR-VCSEL技術(shù)正在解決VCSELs的歷史局限性，提供更高的功率密度、更優(yōu)的光束質(zhì)量和更高的亮度。

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5. 與其他傳感器的集成：預(yù)計激光雷達將與視覺攝像頭和其他傳感器協(xié)同工作，為自動駕駛車輛提供全面的環(huán)境感知。
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6 A9 |6 ~7 l# A% k6 D1 L6. 監(jiān)管挑戰(zhàn)：隨著激光雷達技術(shù)的進步，監(jiān)管框架需要發(fā)展以確保汽車行業(yè)的安全性和標準化。

% v2 N& i8 b4 H4 B7 \結(jié)論
車用激光雷達的激光技術(shù)演進迅速且多方面。從早期的機械系統(tǒng)到當前向全固態(tài)解決方案的趨勢，每一步進展都使我們更接近實現(xiàn)安全可靠的自動駕駛車輛的夢想。

VCSELs和AR-VCSELs已成為車用激光雷達未來的重要技術(shù)。高功率密度、優(yōu)秀的光束質(zhì)量和成本效益使其在競爭激烈的汽車激光雷達市場中占據(jù)有利地位。
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7 O6 V3 \2 p7 o7 o( r. k/ Z5 E隨著行業(yè)繼續(xù)推動更長的探測范圍、更高的分辨率和更低的成本，可以期待激光技術(shù)的進一步創(chuàng)新。最終目標仍然明確：開發(fā)不僅技術(shù)先進，而且在經(jīng)濟上適合自動駕駛車輛大規(guī)模市場采用的激光雷達系統(tǒng)。
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8 v2 N0 p) [$ s7 H4 h4 x激光雷達從小眾技術(shù)到汽車行業(yè)關(guān)鍵組件的發(fā)展歷程展示了創(chuàng)新的力量和變革的潛力。展望未來，很明顯，車用激光雷達激光技術(shù)的演進將在塑造交通和移動性領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。

- d+ x7 ~$ k- L& N) i5 W( C% G8 {參考文獻
& F: J8 K0 t) M, E$ w4 [[1] D. Liang et al., "Evolution of laser technology for automotive LiDAR, an industrial viewpoint," Nature Communications, vol. 15, no. 1, p. 7660, Feb. 2024, doi: 10.1038/s41467-024-51975-6.
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