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突破性光子集成芯片(PIC)加持,光子光纤陀螺仪现曙光
2020-03-21 17:01:33   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

据麦姆斯咨询介绍,高端惯性测量单元(IMU)是商业和军事应用的航空、海事以及陆地系统的关键组件之一,用于导航、系统稳定及其它用途。这些系统通常包括加速度计、陀螺仪或两者的组合,在某些情况下还包括更复杂的结构,其中可能包括磁力计和全球导航卫星系统接收器等。

微访谈:KVH首席营销官兼战略高级副总裁Elizabeth Jackson

据麦姆斯咨询介绍,高端惯性测量单元(IMU)是商业和军事应用的航空、海事以及陆地系统的关键组件之一,用于导航、系统稳定及其它用途。这些系统通常包括加速度计、陀螺仪或两者的组合,在某些情况下还包括更复杂的结构,其中可能包括磁力计和全球导航卫星系统(GNSS)接收器等。

其中,所用陀螺仪的技术可以表征惯性系统的部分特性。事实上,从首次应用到逐渐成熟的近20年技术周期中,市场已经经历了多个不同的技术发展阶段。最早出现的是机械陀螺仪,然后是环形激光陀螺仪(RLG)和光纤陀螺仪(FOG)。后来又出现了半球谐振陀螺仪(HRG)和MEMS陀螺仪。

基于FOG的惯性系统在各种战术和导航应用,以及某些工业领域都有广泛的应用。根据Yole最新出版的《高端惯性传感器技术及市场-2020版》报告,目前全球FOG市场规模已经超过6.5亿美元。

受“万物自主化(autonomous-everything)”行业和战术级应用对更小外形尺寸的需求推动,集成解决方案也在不断发展。例如,KVH的集成光子FOG,以及霍尼韦尔(Honeywell)和TeraXion的集成谐振式FOG。硅光子学对于FOG,是否会像MEMS革新机械陀螺仪那样,引发一场光子学革命呢?

光子集成陀螺仪的发展

光子集成陀螺仪的发展

为了更好地了解光子FOG的目标应用以及发展趋势,Yole技术和市场分析师Dimitrios Damianos近期采访了高端惯性领域知名供应商KVH的首席营销官兼战略高级副总裁Elizabeth Jackson。

Dimitrios Damianos(以下简称DD):KVH以其FOG和基于FOG的惯性测量单元(IMU)解决方案而闻名于世。请您简单介绍一下公司的历史,以及主要的目标市场和应用。

Elizabeth Jackson(以下简称EJ):KVH利用创新技术化繁为简的能力是独一无二的。我们以严格的精度要求,以较低的成本提供更高性能的自主级精度,为任务关键型应用提供可靠的不间断导航。KVH是一家垂直整合集成商,因此,我们可以控制开环FOG和基于FOG的产品(包括IMU和惯性导航系统)的整个设计和生产过程。

我们是少数几家拥有端到端掌控能力的高性能传感器制造商之一。KVH在芝加哥地区的专用工厂打造自己的光纤组件,然后针对先进应用将FOG与其它传感器封装在一起,以提供成本更低,但具有卓越精度和耐久性的解决方案。自1997年以来,我们一直是FOG行业的领先制造商,已生产了超过12万颗FOG,并在惯性技术方面拥有强大的知识产权(IP)布局。

正如我们公开发布的,KVH开发出了突破性的光子集成芯片(Photonic Integrated Chip, PIC)技术,该技术有望在性能方面改变产业现状。我们的业务在国防和商业应用的广泛领域以及日益增长的“万物自主化”领域都表现抢眼,客户选择KVH器件的应用包括:无人地下系统、无人驾驶车辆、管道检查、航空测绘、人形机器人,以及载荷稳定等。

DD:洛克希德·马丁(Lockheed Martin)公司最近在一个战斗机项目的传感器套件中选择了KVH的FOG。对于此类应用,陀螺仪在范围、零偏稳定性、运行稳定性、抗冲击、带宽、尺寸、重量和功耗(SWaP)以及价格方面有哪些不同的要求?它们与海事导航或军用车辆导航等应用有何不同?

EJ:我不能透露特定客户的详细应用和规格,不过,在这些需求方面存在一些一致的差异。例如,任务关键型机载应用往往要求能够在最极端的温度和振动条件下,所有性能指标稳定运行。车辆地面导航需要出色的标度因数,低于50 ppm,低噪声,低于0.009 deg/rt-hr,以及最小的零偏不稳定性,低于0.02 deg/hr,以为安全的路线规划提供所需要的最精确的位置精度。而对于水下应用,需要部署较低的加速度计范围以提高分辨率,平台的整体尺寸则要求小巧的外形,并且由于长期支持问题,需要非常低的噪声和最小的零偏不稳定性。

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DD:最近一两年贵司高端惯性传感器业务发展如何?业绩增长的主要驱动力是什么?

EJ:过去两年来,KVH的惯性传感器产品,从DSP-1750陀螺仪到很多无人驾驶平台使用的1700系列IMU等各种产品的销售均实现了稳定增长。我们的生产线继续保持稳健,FOG制造工厂也在继续轮班工作。

销售的增长驱动主要源自三个方面:一是“万物自主化”细分市场的增长;二是军事应用和确保定位、导航和授时(APNT)的重大项目;第三个推动因素是,KVH具有独特的优势,能够以更经济的价格为各种平台提供丰富的性能选择。我们刚刚完成了一项大规模的量化调查,以验证与性能更高但价格也更高的领先竞争对手相比,以及与MEMS等低成本、低性能产品相比,为什么KVH的产品更受偏爱。

DD:您从事惯性业务已有很长的历史,以您的职业经历来看,过去十年,就客户关系、定制服务和客户反馈方面有哪些重大变化?

EJ:我们的客户信任KVH,我们和客户的关系不断深化和扩展,客户群不断扩大,并在现有客户群中增加了多个项目。得益于我们的垂直整合,KVH可以提供定制服务,因此我们很容易扩展并满足终端用户的不同需求。

这种能力使我们与众不同。我们还看到了易于集成的重要性,在我们的竞争对手提供单一解决方案的时候,KVH自信地提供了文档化的测试报告,灵活的用户接口,以及开发者工具套件,以加速助力集成,方便客户建立新平台并更快地运行。也许,您提到的重大变化才刚刚开始。

过去两年来我们一直在开发的PIC技术现已进入生产阶段。我们的PIC技术具有真正的颠覆性,它与过去25年中陀螺仪技术获得的发展都不同,因为它创建了系统级的改善以减小尺寸、功耗和成本。我相信,在Yole的下一份高端惯性传感器报告中,就要为光子陀螺仪提供单独的章节了!

DD:我们应该会这么做!您能否介绍更多有关此PIC技术的信息?推动这项创新的驱动力是什么?进展如何?技术上或其他方面的困难或挑战有哪些?就零偏和稳定性等而言,可接受的技术性能达到了什么样的水平?

EJ:KVH开发PIC技术,目的是用平面光学芯片代替单个光纤组件。我们消除了光学接头、偏振器和耦合器,并将多个分立组件整合到芯片,从而提高了生产良率和可靠性。这样做的好处是可以改善包括自动驾驶平台在内的现有系统的性能并显著降低成本。性能提升的一个例子,是我们能够利用支持高可靠批量生产的芯片,实现极低的插入损耗。KVH在PIC技术领域取得了重大进展。去年,我们宣布已经交付了工作原型产品,预计,我们将很快宣布第一批内置PIC的产品成功出货。

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DD:在应用端,搭载高级驾驶辅助系统(ADAS)的自动驾驶车辆或无人驾驶车辆,以及工业机器人、自动导引小车(AGV)已经成为惯性系统确定的拓展机遇,尤其是在GPS受限的环境中。贵司在这些领域有哪些举措?对于无人驾驶车辆,有哪些具体的技术要求?

EJ:对于GPS受限的环境应用,KVH一直提供相应的解决方案,随着“万物自主化”的增长,需求正在持续增长。GPS受限的环境其实远超人们的想象,除了矿业、管道以及水下,还比如自动驾驶汽车行驶在高楼林立的城市环境,穿越隧道,甚至在高速上被几辆大卡车包围的场景。KVH的FOG和基于FOG的产品已经在30多个自动驾驶汽车平台中被应用或评估。

这意味着数百辆搭载KVH产品的无人驾驶车辆原型正在道路上测试。我们和从分销商到传统OEM的领先厂商都签订了保密协议(NDA)。自动驾驶平台需要依赖传感器融合,例如摄像头、激光雷达(LiDAR)、GPS以及惯性传感器。FOG即使在GPS不可用的情况下也可以实现1厘米的定位精度和精确导航,因此KVH提供的这类惯性解决方案对于自动驾驶行业的精度和安全性要求至关重要。

自动驾驶汽车市场的重要性能评价标准包括标度因数、角度随机游走以及零偏不稳定性。这些因素都有助于提高车辆的安全性。标度因数对于无人驾驶平台的安全运行至关重要,而KVH的FOG提供了非常低的标度因数,从而确保自动驾驶车辆在停车场、交通路口或任何出入口至关重要的匝道环线的正常运行。

角度随机游走或噪声也很重要,因为非常低的本底噪声能够支持准确的导航。相反,高噪声会转化为位置误差。零偏不稳定性或漂移是保持位置并提供精确转弯测量值的关键指标,可以保护自动驾驶平台上的乘员。KVH的IMU误差仅为MEMS IMU的一个零头。例如,MEMS IMU在60秒后的误差可能达到7米,而KVH的IMU在60秒后的误差可能仅为0.5米。对于自动驾驶汽车而言,单车价格显然是的一个重要因素,但是,当今许多自动驾驶汽车平台都是很吸金的平台。例如,建筑工程车辆以及运输人员的自动驾驶汽车,有能力支撑高性能惯性传感器的费用。

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DD:您对RLG和MEMS之间的竞争有何看法?FOG在竞争中似乎独具优势,您对此怎么看?FOG相对于MEMS是否具有成本效益?

EJ:其它技术通常要么昂贵,要么不够精确,而FOG技术却以低成本提供了高精度。鉴于陀螺仪技术始终是成本与性能的平衡,因此专门优化设计的FOG将在自动驾驶汽车市场取得成功。其性能水平旨在确保自动驾驶平台的安全、精确和可靠运行。RLG技术通常具有更高的性能,当然因此也增加了成本。

MEMS技术在高振动环境(例如汽车和机载应用)中性能受限。相对于MEMS技术,FOG无疑是具有成本效益的。“万物自主化”制造商和自动驾驶汽车制造商都告诉我们,他们需要冗余,如果他们选择MEMS技术,即使具有冗余,但是他们也无法获得所需要的精度。我们新开发的PIC技术为我们提供了更大的定价灵活性,从而能够抵消MEMS的价格优势。PIC正在重新定义性价比。

DD:未来几年,我们对KVH可以有哪些期待?

EJ:不久的将来,KVH将在整个平台上推广PIC技术,我们将不懈努力为所有应用提高性能。垂直集成和PIC技术的结合,使我们能够为KVH的高、中、低端产品组合提供更广泛的性能选择,把握更多商机。KVH致力于通过卓越的设计、制造、可靠性和易集成性,成为无人驾驶和万物自主化平台高性能惯性产品的领先供应商。

延伸阅读:

《高端惯性传感器技术及市场-2020版》

《Silicon Sensing组合传感器(Z轴陀螺仪和2轴加速度计):CMS300》

《霍尼韦尔9轴MEMS惯性传感器:HG1120CA50》

《霍尼韦尔6轴MEMS惯性传感器:HG4930CA51》

《ADI精密6轴MEMS惯性传感器:ADIS16460》

《苹果iPhone X中的博世6轴IMU》

《InvenSense高性能7轴运动组合传感器:ICM-20789》 

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