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Ouster创始人详解多光束Flash激光雷达,高功能SPAD+VCSEL计划初次商业化

2019-01-22 12:00
来历: 微迷网

Ouster创始人详解多光束Flash激光雷达,高功能SPAD+VCSEL计划初次商业化

Ouster创始人兼首席执行官、Quanergy前联合创始人Angus Pacala

Ouster创始人详解多光束Flash激光雷达,高功能SPAD+VCSEL计划初次商业化

搭载Ouster公司OS-1 64激光雷达的测验车辆

据麦姆斯咨询报导,曩昔的一年,Ouster团队常常被问及如安在如此紧凑、低本钱的外形下完成令人难以置信的功能。现在,Ouster创始人兼首席执行官Angus Pacala很快乐地宣告Ouster现已获得了多项“多光束亮光(Multi-Beam Flash)”激光雷达(LiDAR)中心技能的根底专利,这使Ouster可以更公开地议论他们在曩昔三年中开发的令人惊叹的技能,以及Ouster为什么能凭仗一系列低本钱、紧凑型半导体激光雷达传感器(包含机械扫描型和固态传感器)引领商场。

Angus Pacala想用这篇文章来深入探讨Ouster完成数量级功能进步背面的技能,以及为什么它是最有或许进入未来每辆车以及每个野外机器人的赋能技能。

不走寻常路的作业波长

尽管Ouster的技能适用于各种波长,但Ouster激光雷达的一个共同特点是选用了850 nm作业波长。激光雷达中的激光器有必要战胜周围的环境光才干“看”到障碍物。因而,激光雷达工程师一般会挑选低太阳光通量区域的作业波长,以简化体系规划。而Ouster与这一趋势各走各路,挑选了在850 nm波长下作业。

Ouster创始人详解多光束Flash激光雷达,高功能SPAD+VCSEL计划初次商业化

上图为地上太阳光子通量与波长的联络曲线,在850 nm波利益的太阳光比传统激光雷达体系的作业波长905 nm、940nm、1550 nm别离高约2倍、10倍和3倍

由于Ouster的波长挑选与工业其它厂商各走各路,因而其产品出现了许多特征的外观。可是,Ouster打破性的专利技能之一就是超卓的环境光按捺功能,即便考虑太阳光谱的差异,也使Ouster传感器勘探到的有用环境光通量远低于其他厂商其他波长的激光雷达传感器。Ouster的专利技能把一般晦气的要素改变成了许多要害优势:

1、更低的水汽吸收性:高层大气中的水蒸气吸收导致太阳光谱在905 nm、940 nm和1550 nm处有明显下降,可是激光脉冲在地表传输时,地上的雾等湿度条件也会发生相同的效应,吸收名贵的激光能量,导致激光雷达接纳器捕获的激光削减。比较之下,850 nm光谱在一切条件下都具有更低的大气水汽吸收,比其它盛行的激光雷达作业波长(如1550 nm)要低几个数量级。这意味着Ouster激光不会在湿润环境中被吸收,可以完成一致性更高的运转。当然,光谱的水蒸汽吸收问题不应与大气中的液态水(如雨水或浓雾)相混杂,这对一切激光雷达传感器来说都是应战。

2、更高的CMOS勘探器灵敏度:硅基CMOS勘探器在850 nm处比在较长波利益灵敏度高得多,例如,从850nm波长到905 nm波长灵敏度大约下降了2倍。在850 nm处规划Ouster激光雷达体系使其可以检测到更多反射回传感器的激光,这相当于获得了更长的勘探间隔和更高的分辨率。

3、更高的环境图画质量:Ouster最近发布的固件使OS-1可以搜集激光雷到达像以外的环境图画,850 nm作业波长便与此有很大联络。运用更多来自太阳的850 nm光子,环境图画具有更高的信噪比,这在拂晓、傍晚或阴地利愈加有用。

4、选用更低功耗、更高功率的技能:Ouster专利技能使其可以比较竞争对手,将任何作业波长下的环境“本底噪声”下降一个数量级以上。这使Ouster激光器和接纳器可以运用各种低功耗、高功率的技能,而这些技能一般被以为不或许在传统高功能激光雷达中运用。Ouster的技能专心于以更低的本钱、更低的功耗、更小的尺度和更少的组件来完成更好的功能。

Ouster偶然也会被问到人眼安全问题,Ouster运用的激光器远低于人眼安全约束,而且现已被第三方实验室认证为1级人眼安全的激光器。

Ouster创始人详解多光束Flash激光雷达,高功能SPAD+VCSEL计划初次商业化

单颗OS-1 64激光雷达传感器的SLAM输出

“多光束亮光”中心技能

在曩昔的三年中,Ouster开发了许多中心专利技能来处理曩昔使单芯片技能被扫除在激光雷达之外的应战,终究经过“多光束亮光”激光雷达架构,充分发挥了笔直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)和单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode, SPAD)的优势。在Ouster的中心技能中,“亮光”指的是传感器中的每个像素都被激光照耀,并一同像带亮光灯的相机相同有用搜集光线,“多光束”指的是用准确的光束而非很多的泛光来照明整个场景。

第二点可以追溯到Ouster对功率的专心研讨:传统亮光激光雷达中的泛光照明,尽管更简单开发,但却会在勘探器“看不到”的区域糟蹋激光功率。经过仅向勘探器能“看到”的区域发射准确光束,Ouster完成了比传统激光雷达更大的功率进步。

此外,现在的VCSEL和SPAD并没有现在已在运用的高本钱传统技能那样高效,可是它们在原始功能方面的简直一切其他目标都具有完胜优势,例如:可靠性、经用性、低噪音、高温运转、电气功率、紧凑性、本钱、与外围组件的直接集成、由消费电子工业推进的大规模外围研制,以及根本功能方面的巨大改善空间。

最终一点非常重要,与其它技能不同,VCSEL和SPAD可以将根本功能进步10倍,Ouster正与协作伙伴一同出资研制,不断改善这些器材的中心特性。Ouster无疑已处于这一方向的最前沿,可以供给具有高清分辨率的紧凑型激光雷达。

Ouster创始人详解多光束Flash激光雷达,高功能SPAD+VCSEL计划初次商业化

单颗OS-1 64激光雷达的点云输出

Ouster选用VCSEL,由于它们比其它激光器技能更小、更轻、更经用、更快、更易于制作,而且功率功率更高。现在激光雷达体系中运用的某些类型的脉冲激光器(例如,1550 nm光纤激光器),或许需求花费数千美元而且功耗到达数十或数百瓦,而Ouster的VCSEL本钱要低几个数量级,功耗仅为数瓦,且尺度更细巧。此外,跟着全球上千亿颗VCSEL出货,Ouster还在功能、批量和本钱方面遵从摩尔定律改善曲线。

一同,Ouster的VCSEL与光学鼠标或智能手机中运用的器材不同。Ouster开发了定制化的VCSEL模块,将一切激光器整合在一颗半导体芯片上。此外,Ouster在VCSEL规划的每个层面都获得了打破,将VCSEL有用亮度进步了几个数量级,一同还将光脉冲缩短至几个纳秒。

Ouster的单芯片VCSEL具有大幅下降体系复杂性和本钱的附加优势。其它激光雷达需求在电路板上精细排布数十乃至数百个贵重的激光器芯片和激光驱动电路,Ouster的激光雷达仅需求运用单颗激光驱动器和激光器芯片。因而,OS-1-64在每个方向上完成140米的勘探间隔,仅需求一块不超越一粒米巨细的玻璃片。

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