據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道,日本東芝(TOSHIBA)將深入開(kāi)發(fā)汽車(chē)LiDAR(激光雷達(dá))半導(dǎo)體業(yè)務(wù),主要面向:(1)LiDAR中使用的光接收元件;(2)測(cè)量IC(模擬前端IC);(3)電源IC(圖1)。東芝目前正在研發(fā)這三項(xiàng)技術(shù),預(yù)計(jì)到2020年完成前期開(kāi)發(fā)并達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平,然后計(jì)劃將其商業(yè)化。其高精度測(cè)量IC技術(shù)和錯(cuò)誤檢測(cè)去除技術(shù),可使LiDAR傳感器的探測(cè)范圍相比傳統(tǒng)方案提高約1.8倍。
圖1 典型LiDAR結(jié)構(gòu)框圖
2025年市場(chǎng)需求將達(dá)3000萬(wàn)臺(tái)
東芝對(duì)汽車(chē)LiDAR市場(chǎng)寄予厚望。根據(jù)該公司預(yù)測(cè),未來(lái)L3級(jí)或更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛汽車(chē)數(shù)量將持續(xù)增長(zhǎng),這將推動(dòng)LiDAR需求迅速增長(zhǎng)。市場(chǎng)預(yù)計(jì)一輛汽車(chē)將安裝多個(gè)LiDAR傳感器,到2025年,每年的市場(chǎng)需求將超過(guò)3000萬(wàn)臺(tái)。在此之后,汽車(chē)LiDAR市場(chǎng)仍將保持繼續(xù)增長(zhǎng),東芝預(yù)測(cè)2025~2035年的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)將達(dá)到18%。
東芝開(kāi)發(fā)的測(cè)量IC專(zhuān)為采用“直接ToF(飛行時(shí)間)”距離測(cè)量方法的LiDAR傳感器而設(shè)計(jì)。 利用直接ToF距離測(cè)量方法,從紅外激光器發(fā)射脈沖光,然后利用光接收元件將從物體反射回的光轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并將其輸入到測(cè)量IC,利用激光從發(fā)射到反射光返回的時(shí)間估算距離。 為了獲取二維距離圖像,通常使用多面鏡掃描激光束。在測(cè)量IC中,執(zhí)行距離圖像生成等處理。
車(chē)載LiDAR需要更遠(yuǎn)的探測(cè)距離和高像素的距離圖像(多個(gè)距離測(cè)量點(diǎn))。例如,以時(shí)速120公里的速度行駛的車(chē)輛,其LiDAR傳感器探測(cè)距離需要達(dá)到200m。
為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)和高像素,有必要提高測(cè)距精度(準(zhǔn)確率)的同時(shí),降低錯(cuò)誤檢測(cè)。
SAT智能累積技術(shù),緊盯目標(biāo)物體
為了提高測(cè)距精度,東芝開(kāi)發(fā)了一種被稱(chēng)為“SAT(Smart Accumulation Technique,智能累積技術(shù))”的方法,即使在各種不同的噪音環(huán)境中也能更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量,該研究成果已于2018年2月在ISSCC上公布。
在上述直接ToF距離測(cè)量方法中,隨著被測(cè)物體的距離增加,入射到光接收元件上的太陽(yáng)光量也隨著反射光返回而增加(圖2)。此時(shí)太陽(yáng)光等背景光線(xiàn)便成為噪音,使SNR(信噪比)下降。因此,需要通過(guò)累積遠(yuǎn)距離圖像的多個(gè)像素來(lái)提高SNR。然而,如果采用簡(jiǎn)單地累積,遠(yuǎn)距離圖像的圖像質(zhì)量會(huì)將低,如同進(jìn)行了模糊處理,使LiDAR系統(tǒng)難以探測(cè)并識(shí)別諸如行人和騎行者等物體(圖3)。
圖2 太陽(yáng)光等強(qiáng)烈的背景光為L(zhǎng)iDAR帶來(lái)的挑戰(zhàn)
圖3 簡(jiǎn)單平均處理的畫(huà)質(zhì)問(wèn)題,降低了行人的識(shí)別率
對(duì)此,SAT對(duì)每個(gè)物體(如汽車(chē)和電線(xiàn)桿)進(jìn)行反射光分類(lèi),僅累積并平均處理來(lái)自目標(biāo)物體的反射光(圖4),并在處理中抑制圖像質(zhì)量劣化。與傳統(tǒng)累積技術(shù)相比,東芝SAT分辨率獲得了4倍提高,由此實(shí)現(xiàn)高達(dá)200m的高畫(huà)質(zhì)LiDAR成像。
圖4 SAT智能累積技術(shù)概覽
利用新指標(biāo)去除錯(cuò)誤探測(cè)
但是,在進(jìn)行平均處理時(shí),會(huì)產(chǎn)生一種被稱(chēng)為“距離聚集(簇)”的現(xiàn)象,在以往的錯(cuò)誤檢測(cè)消除方法(消噪方法)中,有可能導(dǎo)致來(lái)自遠(yuǎn)處物體的正確的探測(cè)結(jié)果被消除(圖5)。根據(jù)傳統(tǒng)方法,例如,使用亮度作為指標(biāo),根據(jù)遠(yuǎn)距離圖像的每個(gè)像素的大小是否超過(guò)閾值來(lái)判斷/去除噪音(圖6),有可能造成錯(cuò)誤檢測(cè)。
圖5 平均處理中的距離聚集問(wèn)題
圖6 傳統(tǒng)的噪聲去除方法對(duì)聚集噪音不夠有效
為此,東芝開(kāi)發(fā)了一種算法,通過(guò)使用另一種被稱(chēng)為“信賴(lài)度”的指標(biāo)來(lái)消除錯(cuò)誤檢測(cè)。東芝研究發(fā)現(xiàn):“簇大?。∟)”與亮度(L)平方的乘積與常數(shù)值(a)的相關(guān)性(N= a/ L2),并基于此設(shè)置“信賴(lài)度”,排除錯(cuò)誤檢測(cè)(圖7)。此外,該算法能夠用小規(guī)模且低功耗的電路來(lái)實(shí)現(xiàn),電路規(guī)模和功耗都可控制在測(cè)量IC的1%以下。
圖7 簇大小和亮度之間的關(guān)系:在LiDAR系統(tǒng)模擬中,簇大小與亮度平方成反比
結(jié)合上述SAT智能累積技術(shù)和新開(kāi)發(fā)的錯(cuò)誤檢測(cè)去除技術(shù),去除99%的錯(cuò)誤檢測(cè),LiDAR傳感器的探測(cè)范圍相比傳統(tǒng)方案可以提高約1.8倍(圖8和圖9)。
圖8 基于“信賴(lài)度”的噪聲去除效果
圖9 東芝提出的新技術(shù)去除噪聲的結(jié)果(上方)和現(xiàn)有傳統(tǒng)技術(shù)去除噪聲的結(jié)果(下方)
另外,東芝還正在進(jìn)行光接收元件的開(kāi)發(fā)?,F(xiàn)有的LiDAR傳感器通常使用APD(雪崩光電二極管)作為光接收元件。東芝正著手開(kāi)發(fā)比APD更適合于高靈敏度和多信道應(yīng)用的SiPM(硅光電倍增探測(cè)器)。盡管SiPM已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備中的光子計(jì)數(shù),但它們和LiDAR傳感器所常用的光波長(zhǎng)不同。因此,東芝正在開(kāi)發(fā)可用于LiDAR傳感器在約900nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有高靈敏度的SiPM。