我们拆解了一台固态激光雷达,有了这些新发现

2017-11-28  |  By Clover  |  In 技术

LeddarTech是源自加拿大魁北克国家光学研究所的初创企业,累计融资1.2亿美元,投资方包括全球三大Tier1麦格纳、德尔福、马瑞利,全球第一大光电元件厂家欧司朗,大型混合信号半导体厂家IDT等。

LeddarTech并非是要提供激光雷达产品,而是要提供固态激光雷达的关键元件之一:信号处理集成电路。

不过,为了推广其集成电路,LeddarTech推出了一系列固态激光雷达的套件,不带MEMS镜的套件价格不到600美元。

上图为LeddarTech固态激光雷达示意图,激光发射阵列发射多组激光,PIN型光电二极管接收激光反射回来的光波,类似于CCD或CMOS图像传感器的原理,最终得到一张3D图像。

图像中的物体与雷达的精确距离可以通过简单的计算得知,同时可以根据激光反射强度值,轻松识别出常见物体,如行人、道路、混凝土建筑、路灯、草地,也可以用MEMS镜偏转来使激光束对物体进行扫描。

这次拆解的是LeddarVu8激光雷达,LeddarVu8激光雷达参数如下:

经过十多年来的潜心研发,LeddarTech技术如今已经发展得相当成熟,可以应用在各种商用解决方案中,如高级驾驶辅助系统(ADAS)、交通管理、导航定位、液位测量等。

LeddarTech具备系统开发和集成商在研发激光雷达应用时对传感器的主要需求:小尺寸、低成本、低功耗、可靠性高、坚固耐用、适应性强。

发射部分:光学镜头

激光发射镜头部分采用准直透镜和衍射透镜结合的方式。反射式和透射式准直镜被用在光束传递系统中,以维持激光谐振腔和聚焦光学元件之间的光束的准直性。

反射式准直镜一般使用的是铜制全反镜,而透射式准直镜则使用硒化锌透镜。衍射光栅透镜基板上光刻上不同厚度的衍射层,通过衍射关系,将不同波长或强度的光成像在不同位置,从而实现分光作用。其作用就像一个光子路由器,将光子们组合成各式各样的形状。

当激光束穿过激光衍射板的微观结构时,光子将被激光衍射板上面的各种形状重新进行定向,类似于旋转型激光雷达的多线扫描。

衍射光栅的基底是低膨胀系数的玻璃或熔石英,上面镀铝,然后把平行线刻在铝膜上。衍射光栅的精度要求极高,很难制造,一般用在天文仪器上。

发射部分的激光二极管是Excelitas Technologies供应,Excelitas Technologies是全球最大的民用激光二极管公司之一,年收入大约7亿美元,总部位于美国马萨褚塞。激光二极管型号为TPGEW1S09H,属于225微米系列。

Excelitas Technologies采用金属密封内包装和塑料胶囊外包装设计,相对于工业用激光器来说价格低了很多,适合大量生产的产品。

TPGEW1S09H采用GaAs外延片,采用InGaAs激发层。采用905纳米红外激光。

接收部分

接收部分主要是接收镜头和光电二极管阵列,接收镜头貌似就是一般的聚焦玻璃镜头。

光电二极管阵列是日本滨松的S7509,参数如下:

S7509采用芯片式封装,可以用回流焊或者SMT贴片,很适合大规模量产。暗电流比较小,信噪比较高。滨松也有线性APD阵列和单光子阵列产品。

电路部分:母板、发射板和接收板

发射板上有一片德州仪器的D类功率放大器,这芯片一般用于音频放大,推动扬声器这种电流型负载,可能是用来放大电流供电给激光二极管,是个比较奇怪的设计。

接收板上有三片主芯片,包括Lattice的一款PLD,你也可以称之为FPGA,型号为LCMOX3LF-2100E-6MG121C。

通过上图可以得知这款FPGA属于MachXO3系列,采用Flash配置内存,逻辑运算大院为2112个,最快型,121脚csfBGA封装,商业级产品。

上图为LCMOX3LF-2100E-6MG121C的内部框架图,与一般的FPGA最大不同是其内置PLL锁相环电路。PLL(Phase Locked Loop): 为锁相回路或锁相环,用来统一整合时脉讯号,使高频器件正常工作,如内存的存取资料等。

PLL用于振荡器中的反馈技术。 许多电子设备要正常工作,通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步。一般的晶振由于工艺与成本原因,做不到很高的频率,而在需要高频应用时,有相应的器件VCO,实现转成高频,但并不稳定,故利用锁相环路就可以实现稳定且高频的时脉冲讯号。

对脉冲型激光雷达来说,高精度时钟是保证雷达检测距离精度的关键。Leddar Tech目前还没有推出ASIC,只能先用FPGA代替。

接收板上有片Atmel的Flash MCU,型号为ATSAMS70N20-CFN,这是一片内置1024Kbyte Flash和384 Multi Port SRAM的MCU,采用100脚LQFP封装,内置ARM Cortex M7内核,M7是ARM M系列性能最强一款。下图为ATSAMS70N20-CFN的内部框架图。

接收板上还有八片美信的MAX3806,MAX3806是光学距离测量器,内置一个60K或30K的开关阻抗,还有一个衰减器和前置放大器。

8片代表8个接收通道。MAX3806、MAX4311和MAX1446一起配合使用,MAX4311是MUX/AMP,MAX1446是一个10比特全差分模拟输入ADC,比特率60Mbps,内置精密参考电压,32脚TQFP封装,主要用于超声图像生成和CCD图像生成。

Flash固态激光雷达可以看做一个图像传感器,上图为应用实例。

母板上主要为供电部分,核心芯片是一片村田的LKDC55KAAA-205,这是一片非隔离式DC/DC转换器,可以输出3A电流,主要供应发射部分。

小结

经过拆解可以看出PIN型固态激光雷达除镜头外都有标准的量产元件可以选择,门槛很低,成本也不高,未来可以取代传统的低像素摄像头。但与摄像头比,激光雷达可以全天候全天时工作,雨雪雾霾,白天黑夜都能胜任。

可以想象,未来将会出现更多固态激光雷达产品,而性能更好的线性APD和单光子激光雷达,具备更高的分辨率,有可能进一步挤压摄像头的生存空间。

文章来源:新智驾 作者:周彦武

 



 

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