新型的激光雷达芯片

新型的激光雷达芯片
2021年10月20日 09:17 半导体行业观察

尽管 LiDAR 是 ADAS 最受欢迎的技术之一,但它仍然有其障碍。现在,开发人员正在芯片级别对 LiDAR 进行微调——例如,通过延长检测距离并为恶劣天气做好准备。

福布斯撰稿人 Sabbir Rangwala 也评论道:“激光雷达已在大多数汽车 OEM 的 ADAS和 自动驾驶堆栈公司的定位、地图和 4 级自动驾驶应用中占据了‘必备’地位。”

雷达系统框图

最近几个月,许多公司都将目光投向了扩展 LiDAR 的检测距离、在危险天气中的功能以及系统集成。  

LiDAR 系统可检测 200 米以外的物体

NeoPhotonics 是用于高带宽应用的硅光子学和基于 IC 的高级激光器、模块和子系统的领先开发商之一。为了提高自动驾驶汽车的道路安全性,NeoPhotonics 正在通过一种称为“相干激光雷达技术”(coherent LiDAR)的东西来增加更远距离的 ADAS 反应时间。

相干激光雷达通过测量本地振荡器和返回信号之间的频率差来获得目标范围。该过程产生高保真信号检测。通过使用多普勒频移来确定返回信号的相位,相干激光雷达可以同时测量距离和速度。

近日,NeoPhotonics 发布了调频连续波 (frequency-modulated continuous-wave FMCW) 激光模块以及高功率半导体光放大器 (semiconductor optical amplifier:SOA) 芯片。据称,这些解决方案可为 ADAS 提供远程汽车 LiDAR,改善工业应用的高分辨率传感,并增强电信系统中的数据采集和传输。

相干 LiDAR 收发器示意图。

NeoPhotonics 声称可控和可调谐的高功率 FMCW 激光器将增强现有 LiDAR 系统检测更远距离物体的能力;这要归功于 1550nm 的窄线宽。与其他激光器相比,1550nm 波长是 NeoPhotonics 所谓的“人眼安全”波长。

SOA 芯片实现了相干 LiDAR 设备,例如 PIN 接收器。这些接收器是一种用于将光信号转换为电信号的光电二极管,可以在减少外部光干扰的同时实现 200 到 400 米的检测。

NeoPhotonics 声称,采用相干 LiDAR 技术的设备在测量距离方面更准确,这可能比传统的电磁 LiDAR 具有关键优势。 

激光雷达应对恶劣天气

当恶劣天气混入其中时,LiDAR 传感器和激光器如何响应?这是亚马逊的自动驾驶汽车公司Zoox 在西雅图雨天的街道上探索的一个问题 。由于 LiDAR 传感器历来在被冰、雪、雾或倾盆大雨阻挡时难以检测物体,Zoox 希望在西雅图地区进行的测试将帮助公司通过反复试验解决这些问题,并且随后将更新其硬件和软件.

Zoox认为西雅图将是测试耐候激光雷达的理想地点

同样,Tower Semiconductor 最近转向 CMOS 图像传感技术来改善恶劣天气条件下的自主系统。与 NeoPhotonics 类似,Tower Semiconductor 使用 FMCW 在 1550nm 波长下运行。然而,Tower Semiconductor 也在整合 3D 视觉。

Tower Semiconductor 的 LiDAR 系统包括CMOS 图像传感器,可在低光照条件下增强可见性。此外,该公司还包括一款具有高动态分辨率范围的相机。将相机与 CMOS 传感器相结合,将允许 LiDAR 系统创建周围区域的 3D 图像。

用于高动态范围的常规高分辨率传感器(左)和门控传感器(如 Tower Semiconductor 的 CMOS 图像传感器 - 右)之间的分辨率差异

除了 CMOS 传感器,Tower Semiconductor 还展示了光学相控阵作为改进 LiDAR 系统的另一种方式。这些设备由数百个紧凑型光学天线以及整齐地安装在单个硅芯片上的幅度和相位调制器组成。该解决方案为汽车摄像头提供可控的扫描模式、速度和分辨率,以辅助传感器。

Tower Semiconductor 还推出了一个开放式代工厂硅光子学 (SiPho) 平台。该平台具有低损耗氮化硅波导、锗光电探测器和基于 PIN 二极管的移相器。据说这些移位器可以在较远距离的弱光环境中增强 LiDAR 系统。

集成推动 LiDAR SoC

除了在恶劣天气下延长检测距离和提高检测精度外,LiDAR 开发人员还面临集成问题。为此,Omni Design 和 LeddarTech 最近发布了下一代 SoC, 旨在帮助制造商设计固态 LiDAR 产品。

LeddarTech 的 LiDAR SoC 使用 Omni Design 的模数转换器 (ADC) 和多通道模拟前端 (AFE)。Omni 的 ADC 结合了其获得专利的 SWIFT 技术、运算放大器架构,用于通过开环增益、扩展带宽、噪声抑制和偏移电压选项进行信号处理。

AFE 与单个 IP 块上的 ADC 耦合,以帮助防止 LiDAR 系统实时收集的所有图像和数据出现瓶颈。 

LeddarTech 的 LeddarCore 有助于高数据采集,同时是 LiDAR 系统的中央命令

LeddarTech 利用 Omni Design 的传感器平台来解决当前 LiDAR SoC 解决方案面临的一些限制——主要是 PCB 上的分立设备。这些外部混合信号电路、运算放大器和光放大器会导致 LiDAR 系统中的高功耗、数据泄漏和不准确的图像处理。LeddarTech 的集成 LiDAR 平台避免了外部组件,并且可以集成到多个现有的 LiDAR 架构中。 

LeddarCore 3D (LCA3) SoC是一种多通道(64 个输入通道)接收和排序解决方案,其范围为 300 米。制造商还将拥有 LeddarTechs 的 LeddarEngine,这是一个支持多种 LiDAR 应用且每秒可处理近 50 亿个样本的传感器平台。

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