①傳統(tǒng)激光雷達(dá)需要依靠人工實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射電路板和接收電路板的微米級(jí)對(duì)準(zhǔn)，這種工藝耗時(shí)、低效，且設(shè)備體積較大。

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(duì)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，提高總裝效率的同時(shí)，也減小了設(shè)備尺寸。

③C-Fans-128線激光雷達(dá)探測(cè)前方人體效果圖。

本報(bào)記者 操秀英

不到三公斤的無人機(jī)激光雷達(dá)、針對(duì)電力行業(yè)定制的激光雷達(dá)電力巡檢系統(tǒng)解決方案、含自主芯片的避障激光雷達(dá)……在此前于浙江省湖州市德清縣召開的聯(lián)合國(guó)世界地理信息大會(huì)上，北京北科天繪科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱“北科天繪”)的激光雷達(dá)系列產(chǎn)品成為一大亮點(diǎn)。這些激光雷達(dá)不但更小更輕，而且在保持高性能的同時(shí)還讓成本大大降低。

那么，激光雷達(dá)技術(shù)難在哪?北科天繪的激光雷達(dá)又有何過人之處?

系統(tǒng)復(fù)雜導(dǎo)致激光雷達(dá)體積過大

激光雷達(dá)，簡(jiǎn)而言之即通過主動(dòng)發(fā)射及接收激光信號(hào)實(shí)現(xiàn)三維探測(cè)的高精度傳感器，“它由激光發(fā)射、激光信號(hào)接收、光學(xué)及掃描、信號(hào)處理和系統(tǒng)控制等模塊組成。”北科天繪技術(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(shí)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。

“激光雷達(dá)的工作原理與微波雷達(dá)相近，以激光做信號(hào)源，激光信號(hào)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(hào)回到激光雷達(dá)的接收器。然后通過光電信號(hào)轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距計(jì)算，即得到目標(biāo)點(diǎn)測(cè)距。激光信號(hào)掃描目標(biāo)物表面后，還可以得到目標(biāo)物表面三維點(diǎn)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)理張智武告訴科技日?qǐng)?bào)記者，國(guó)際先進(jìn)測(cè)繪型激光雷達(dá)的核心性能指標(biāo)包括：公里級(jí)測(cè)距范圍，毫米級(jí)測(cè)距精度，百萬級(jí)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(jì)技術(shù)，尤其是激光雷達(dá)信號(hào)的精細(xì)和實(shí)時(shí)處理能力，包括微弱信號(hào)的采集和放大，噪聲的識(shí)別和濾除以及時(shí)間精準(zhǔn)計(jì)量，空間位置信息和反射強(qiáng)度信息的瞬態(tài)測(cè)量等。

“由于光的傳播速度極快，上述信號(hào)接收，處理和三維數(shù)據(jù)生成要在極短的時(shí)間內(nèi)(納秒)完成，因此難度很大。”張智武說，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(dòng)發(fā)光和光信號(hào)調(diào)制及解調(diào)的模塊，實(shí)現(xiàn)每秒鐘百萬次精準(zhǔn)測(cè)量，其本身就是一個(gè)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(jì)成了激光雷達(dá)技術(shù)研發(fā)的攔路虎，大量國(guó)產(chǎn)激光雷達(dá)過于復(fù)雜的組裝會(huì)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(shí)現(xiàn)小身板

“我們的核心競(jìng)爭(zhēng)力正是創(chuàng)新了激光雷達(dá)的芯片和集成電路設(shè)計(jì)。”張珂殊表示，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(cè)器、放大器等數(shù)百個(gè)電子元器件封裝到一個(gè)比指甲蓋還小的專用芯片中，用單枚芯片實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的整體控制。

“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(duì)激光電路板組成(如圖①)，需要依靠人工實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射電路板和接收電路板的微米級(jí)對(duì)準(zhǔn)，這種工藝耗時(shí)、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(hào)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(jí)尺度差異，使復(fù)雜的激光雷達(dá)組裝及測(cè)試過程極大簡(jiǎn)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(duì)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，提高總裝效率的同時(shí)，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(jì)，讓激光雷達(dá)“活”出了小身板。

截至目前，北科天繪已研發(fā)5款激光雷達(dá)信號(hào)處理芯片。今年推出的輕小型高性能低成本無人機(jī)雷達(dá)——蜂鳥，這一最新款的無人機(jī)雷達(dá)系統(tǒng)重量做到了1.2公斤，探測(cè)距離大于200米，續(xù)航作業(yè)時(shí)間大于100分鐘，并且實(shí)現(xiàn)了與通用無人機(jī)系統(tǒng)的深度集成，法國(guó)、韓國(guó)、加拿大、澳大利亞、意大利等國(guó)已成為無人機(jī)載雷達(dá)產(chǎn)品代理商，向國(guó)外進(jìn)行出口。

提高探測(cè)能力，導(dǎo)航避障優(yōu)勢(shì)明顯

導(dǎo)航避障激光雷達(dá)，是無人駕駛領(lǐng)域的重要一部分。而北科天繪的拳頭產(chǎn)品，多線束導(dǎo)航避障激光雷達(dá)——R-Fans，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)此項(xiàng)空白，并打破了該類型激光雷達(dá)的輕小化紀(jì)錄，目前R-Fans-32激光雷達(dá)相比國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品減輕25%。

此外，“R-Fans系列產(chǎn)品還實(shí)現(xiàn)了12位強(qiáng)度分辨率的探測(cè)能力，在高精度地圖數(shù)據(jù)獲取方面可以媲美高端測(cè)繪型激光雷達(dá)，從而有望使高精度地圖采集裝備的成本從兩三百萬元降至20萬元以內(nèi)，有助于高精度地圖的快速推進(jìn)，可間接促進(jìn)自動(dòng)駕駛的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和普及速度。”張智武介紹道。2018年，北科天繪還在國(guó)內(nèi)首發(fā)128線的半固態(tài)前裝激光雷達(dá)(Semi-Flash LiDAR)，持續(xù)與該領(lǐng)域國(guó)際領(lǐng)先企業(yè)比肩，保持我國(guó)全自主研發(fā)生產(chǎn)自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

“現(xiàn)在主流的雷達(dá)測(cè)距能力可能只有100多米，車廠希望測(cè)距大于200米。我們的激光雷達(dá)在美國(guó)實(shí)地測(cè)試的時(shí)候有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，首創(chuàng)了激光雷達(dá)和車頭大燈合為一體的理念，放在飛機(jī)上的測(cè)繪激光雷達(dá)測(cè)繪范圍也已經(jīng)做到5公里。”張智武表示，“在如何減少激光雷達(dá)之間的互相干擾問題上，通過激光信道編碼，實(shí)現(xiàn)了同汽車平臺(tái)上多激光雷達(dá)間串?dāng)_免疫。在新版本的導(dǎo)航系列激光雷達(dá)產(chǎn)品中，解決了多車間、異類激光雷達(dá)串?dāng)_免疫的難題。”

目前，包括京東物流在內(nèi)的主流無人物流車都在使用北科天繪的激光雷達(dá)產(chǎn)品。“除了定制產(chǎn)品，我們正在談批量的事。”張智武預(yù)計(jì)，“菜鳥、美團(tuán)、蘇寧、滿幫、四通一達(dá)、順豐等物流公司對(duì)于無人物流車都有很大的需求。”

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