汽車功能電子化和先進的安全/自動駕駛是汽車領(lǐng)域的兩個主要大趨勢，也是“零事故之路”的核心。大多數(shù)事故是人為錯誤造成的，融合的感知方案有助于使車輛“不出錯”，對道路上可能出現(xiàn)的障礙性危險事前警戒駕駛員，并主動采取行動，確保駕駛員在駕駛時不分心。
本期內(nèi)容，我們聚焦在新興的激光雷達（LiDAR），從它的技術(shù)原理探尋一下其被自動駕駛青睞的原因，看看它有哪些其他傳感器不具備的特質(zhì)。再聽一聽來自安森美汽車戰(zhàn)略及業(yè)務(wù)拓展副總裁Joseph Notaro分享安森美(onsemi)對于未來汽車行業(yè)的預(yù)判以及正在努力的方向，希望能給我們的讀者帶來一些借鑒意義。
▲安森美汽車戰(zhàn)略及業(yè)務(wù)拓展副總裁Joseph Notaro
為什么要采用激光雷達（LiDAR）？
自動駕駛在汽車行業(yè)內(nèi)已經(jīng)不算是一個新的話題，據(jù)悉，目前行業(yè)內(nèi)生產(chǎn)的車輛達到了SAE International規(guī)定的Level 2和Level 2 自動駕駛的級別。要想實現(xiàn)全自動駕駛，還需要引入超聲波、雷達、激光雷達（LiDAR）和視覺四種關(guān)鍵的傳感技術(shù)，并拓寬其應(yīng)用范圍。
例如，全自動駕駛汽車可能需要超過20個單獨的雷達系統(tǒng)，但根本問題在于，雷達空間分辨率的局限性使它仍得不到廣泛應(yīng)用。而在這方面，LiDAR能夠提供高分辨率的深度圖像，其性能遠遠超過雷達。安全系統(tǒng)越來越受到重視，除了能夠知道物體的存在之外，還需要能夠?qū)ξ矬w進行分類和識別，這變得尤為重要。
雖然基于圖像傳感器的視覺系統(tǒng)可以借助傳感器套件提供最佳分辨率，但在夜間，由于缺少環(huán)境光，視覺系統(tǒng)將受到限制。相反，LiDAR系統(tǒng)能自產(chǎn)光源，因此受環(huán)境光條件的影響較小。此外，LiDAR本身還能提供深度信息，而基于圖像傳感器的視覺系統(tǒng)只能看到場景的 2D 視圖，雖可以根據(jù)立體配置間接計算深度，但會降低深度準確性。因此，目前LiDAR裝車量不算高導致成本還比較高，但獨特的能力使其成為打造先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）體驗的重要的一環(huán)。
在第十六屆上海國際汽車制造技術(shù)與裝備及材料展覽會（AMTS 2021）現(xiàn)場，位列全球前十大汽車行業(yè)半導體供應(yīng)商的安森美也帶來了其LiDAR方案。同時，其還展示了最新汽車級的硅光電倍增管（SiPM）的參考設(shè)計，RDM 1x16陣列實現(xiàn)了高性價比的長距離LiDAR方案，在微光條件下即時、準確地識別物體，將安全和自動駕駛提升到新的水平。
SiPM是基于單光子雪崩二極管（SPAD）的探測器，及時反射率極低，也能使系統(tǒng)探測到最遠的物體。SPAD陣列是飛行時間圖像傳感器，可以實現(xiàn)高分辨率的4D成像，同時捕獲場景中所有點的深度數(shù)據(jù)和強度。
多種傳感形式協(xié)同工作的傳感器模式為未來自動駕駛賦能，LiDAR是實現(xiàn)L3-L5級自動駕駛所需的傳感器模式融合的一個關(guān)鍵要素?！?strong>安森美處于傳感器技術(shù)及其他系統(tǒng)元件的前沿，這些技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)下一代LiDAR系統(tǒng)。我們的核心傳感器技術(shù)對單個光子敏感，同時還能在環(huán)境陽光直射條件下工作。”安森美汽車戰(zhàn)略及業(yè)務(wù)拓展副總裁Joseph Notaro說道。
激光雷達的工作原理
顧名思義，LiDAR 使用光來探測距離。它用光源發(fā)出光線，觸及視線內(nèi)的物體而后反射，然后測量光線從發(fā)出到返回傳感器所用的時間——統(tǒng)稱為飛行時間（ToF），來探測障礙物的具體形狀。LiDAR可以在不同分辨率水平下探測大型物體，如粗略測量與障礙物之間的距離，或探測像人臉3D特征這樣精細的細節(jié)。
深度探測可以通過各種方式實現(xiàn)，而每種方式各具優(yōu)點。除了ToF之外，深度探測還使用兩個圖像傳感器來模擬立體視覺，使用結(jié)構(gòu)光來探測物體造成的變形，以及在像素級別進行相位檢測（圖1）。
圖 1：測量深度感知的技術(shù)方法
關(guān)于ToF，所使用的技術(shù)有直接ToF（dToF）和間接ToF兩種。其中，dToF中的光源為脈沖式，模式中有明確的開/關(guān)時間，使接收器能夠探測到光源開啟到檢測到反射光的時間差；在間接ToF中，光源以正弦波的形式連續(xù)發(fā)射，通過測量光源和反射信號之間的相位差來計算距離。在這兩種情況下，無論是直接還是間接，都是借助光離開發(fā)射器后到達探測器所用的時間來提供距離數(shù)據(jù)。
單光子雪崩二極管（SPAD）因為可以探測到由單個光子組成的反射信號，性能更優(yōu)，同時也有助于擴大 LiDAR系統(tǒng)的測距范圍，可以“看到”更遠距離的低反射率物體。安森美通過開發(fā)SiPM進一步完善該方法：SiPM集成了一個并聯(lián)獨立SPAD傳感器陣列，每個均采用二進制開關(guān)式的工作方式。根據(jù)陣列總輸出，可以計算光信號的相對強度。此外，通過對SiPM陣列中的每個SPAD配備第三個電容耦合式端子，響應(yīng)速度得以提高。這種快速響應(yīng)輸出中會攜帶測量傳感器響應(yīng)時間所需的數(shù)據(jù)。
Joseph Notaro表示：
在市場上廣泛采用LiDAR的關(guān)鍵是以高產(chǎn)量大批量生產(chǎn)基于光電二極管傳感器的能力。
據(jù)悉，安森美開發(fā)的SiPM傳感器已針對NIR優(yōu)化，在905 nm波長范圍具有高靈敏度，單光子增益達到106。經(jīng)過設(shè)計，它還能在相對較低的30V偏置電壓下運行，由于其恢復時間快，還能提供出色的帶寬。
從技術(shù)角度而言，具備以上特點的SiPM適合汽車應(yīng)用，但它也需要在商業(yè)上可行。阻礙 LiDAR廣泛采用dToF的主要障礙之一就是價格，但這可以通過兩種方式解決。第一，采用互補型金屬氧化物半導體(CMOS)工藝，傳感器陣列的單位成本得以優(yōu)化。第二，安森美開發(fā)了有效的制造工藝，可提升所生產(chǎn)傳感器的均勻度，使傳感器的成本效益得到提高。
走向更安全、更智能的未來駕駛
除了LiDAR相關(guān)的產(chǎn)品，在自動駕駛方面，安森美還展示了AR0144AT駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)，采用一個100萬像素傳感器，對紅外（940納米）LED照明的高靈敏度進行了優(yōu)化，并具有行業(yè)領(lǐng)先的快門效率，實現(xiàn)精確的眼睛/頭部跟蹤。它的小尺寸使其易于集成到儀表盤和信息娛樂系統(tǒng)中?！?strong>安森美是第一大汽車圖像傳感器供應(yīng)商，致力于不斷推動這些傳感器具備領(lǐng)先業(yè)界的高動態(tài)范圍、減少LED閃爍（LFM）和微光靈敏度。”Joseph Notaro表示。
對于無人駕駛的發(fā)展趨勢，Joseph Notaro直言這已經(jīng)不是完全自動駕駛車輛將會何時部署的問題了，其已經(jīng)投入了使用，雖然有些還是有特定的條件，但可以從中看到，未來自動駕駛已來。
Joseph Notaro表示：
不僅是出租車公司，運輸車輛和商用車制造商也在部署自動駕駛。支持 L4 / L5 級功能的技術(shù)已就緒，為了更廣泛地部署這些系統(tǒng)，我們需要建立信心，相信這些車輛可以在極端的角落情況下安全運行。在這方面，安森美等公司需要繼續(xù)提高傳感器在所有條件下的性能以發(fā)揮作用。
自動駕駛帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)之外，對于電動汽車來說，里程焦慮也是其面臨的挑戰(zhàn)之一。碳化硅作為第三代半導體的材料之一，正在幫助制造商和消費者緩解這種焦慮。首先，其低功耗的特點可以不浪費電池中的能量，讓汽車駕駛更長時間；此外，碳化硅還可優(yōu)化充電效率以實現(xiàn)快速充電，讓駕駛員可以在幾乎與傳統(tǒng)汽車加油相同的時間內(nèi)為電動車充電。安森美致力于硅制造數(shù)十年，在將碳化硅以最佳性能和質(zhì)量、合適的成本大批量推向市場方面走在前列。
談及目前對整個汽車產(chǎn)業(yè)鏈都造成困擾的缺芯問題，Joseph Notaro直言，當前的汽車供應(yīng)鏈模式已經(jīng)30多年沒有改變了。精益制造和準時制生產(chǎn)方式在穩(wěn)定的市場條件下是高效的，但在市場顛覆期間表現(xiàn)出嚴重的局限性。汽車行業(yè)對新冠肺炎（COVID）引發(fā)的衰退反應(yīng)緩慢，由于庫存減少，半導體制造需要的時間也比較長，當整車廠商和Tier1開始對市場復蘇做出反應(yīng)時，要保證半導體需求已經(jīng)太晚了。“安森美正與汽車合作伙伴密切合作，實施創(chuàng)新的供應(yīng)鏈模式，讓我們能夠支持即將到來的汽車功能電子化和自動駕駛革命。”
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