激光雷達(dá)的技術(shù)難點

激光雷達(dá)技術(shù)難在哪？

激光雷達(dá)，簡而言之即通過主動發(fā)射及接收激光信號實現(xiàn)三維探測的高精度傳感器，“它由激光發(fā)射、激光信號接收、光學(xué)及掃描、信號處理和系統(tǒng)控制等模塊組成?！北笨铺炖L技術(shù)總監(jiān)張珂殊介紹道，激光雷達(dá)不僅自身就是高度集成化的光機(jī)電一體化傳感器，使用中還要與全球衛(wèi)星定位（如北斗、GPS）、慣性導(dǎo)航單元（IMU）、可見光相機(jī)、紫外相機(jī)、高光譜相機(jī)等各種傳感器做時空同步集成，涉及多傳感器數(shù)據(jù)融合和一體化標(biāo)定，技術(shù)門檻很高。 由于涉及多傳感器數(shù)據(jù)融合和一體化標(biāo)定，激光雷達(dá)的技術(shù)門檻很高。

“激光雷達(dá)的工作原理與微波雷達(dá)相近，以激光做信號源，激光信號到達(dá)目標(biāo)表面 ——樹木、道路、橋梁和建筑物等，在上述目標(biāo)表面產(chǎn)生后向散射，從而使一部分激光回波信號回到激光雷達(dá)的接收器。然后通過光電信號轉(zhuǎn)換和信號處理，實現(xiàn)激光測距計算，即得到目標(biāo)點測距。激光信號掃描目標(biāo)物表面后，還可以得到目標(biāo)物表面三維點的數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)進(jìn)行三維成像處理后，我們就擁有了精確的三維目標(biāo)模型數(shù)據(jù)（目標(biāo)立體圖）。”張珂殊說。

北科天繪總經(jīng)理張智武說，國際先進(jìn)測繪型激光雷達(dá)的核心性能指標(biāo)包括：公里級測距范圍，毫米級測距精度，百萬級激光發(fā)射頻率。這要求高度優(yōu)化的激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，尤其是激光雷達(dá)信號的精細(xì)和實時處理能力，包括微弱信號的采集和放大，噪聲的識別和濾除以及時間精準(zhǔn)計量，空間位置信息和反射強(qiáng)度信息的瞬態(tài)測量等。 　　

“由于光的傳播速度極快，上述信號接收，處理和三維數(shù)據(jù)生成要在極短的時間內(nèi)（納秒）完成，因此難度很大?！睆堉俏湔f，激光雷達(dá)是迄今為止最復(fù)雜的，效率和精度最高的傳感器之一，與相機(jī)相比，它多了主動發(fā)光和光信號調(diào)制及解調(diào)的模塊，實現(xiàn)每秒鐘百萬次精準(zhǔn)測量，其本身就是一個復(fù)雜的集成性系統(tǒng)。 　　

然而，如此復(fù)雜的集成性系統(tǒng)，也讓集成電路設(shè)計成了激光雷達(dá)技術(shù)研發(fā)的攔路虎，大量國產(chǎn)激光雷達(dá)過于復(fù)雜的組裝會讓激光雷達(dá)體積重量過大，使用起來很不方便。 　　

芯片組獨(dú)辟蹊徑，雷達(dá)實現(xiàn)小身板 　　

“我們的核心競爭力正是創(chuàng)新了激光雷達(dá)的芯片和集成電路設(shè)計?！睆堢媸獗硎?，傳統(tǒng)的激光雷達(dá)集成電路技術(shù)，需要將激光發(fā)射器、探測器、放大器等數(shù)百個電子元器件封裝到一個比指甲蓋還小的專用芯片中，用單枚芯片實現(xiàn)激光雷達(dá)的整體控制。

傳統(tǒng)激光雷達(dá)需要依靠人工實現(xiàn)激光發(fā)射電路板和接收電路板的微米級對準(zhǔn)，這種工藝耗時、低效，且設(shè)備體積較大。 圖2：新技術(shù)讓模塊間以類似積木的形式快速搭建，無需依賴多次人工對準(zhǔn)，實現(xiàn)了機(jī)器自動對準(zhǔn)，提高總裝效率的同時，也減小了設(shè)備尺寸。 　　

“然而傳統(tǒng)的激光雷達(dá)是由電路板構(gòu)成，比如我們通常說的16線激光雷達(dá)就是由16對激光電路板組成，需要依靠人工實現(xiàn)激光發(fā)射電路板和接收電路板的微米級對準(zhǔn)，這種工藝耗時、低效，且體積較大。而我們使用自主開發(fā)的激光雷達(dá)信號處理芯片組，通過半導(dǎo)體封裝工藝精巧地解決了精密光機(jī)裝調(diào)與大尺寸機(jī)械誤差間跨數(shù)量級尺度差異，使復(fù)雜的激光雷達(dá)組裝及測試過程極大簡化（如圖2），模塊間以類似積木的形式快速搭建，無需依賴多次人工對準(zhǔn)，實現(xiàn)了機(jī)器自動對準(zhǔn)，提高總裝效率的同時，也減小了設(shè)備尺寸。”張珂殊介紹， 獨(dú)辟蹊徑的激光雷達(dá)的芯片和集成電路設(shè)計，讓激光雷達(dá)“活”出了小身板。