Ouster创始人详解多光束Flash激光雷达，高性能SPAD+VCSEL方案首次商业化
2019-01-22 10:05:17 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
麦姆斯咨询：Ouster创始人兼首席执行官Angus Pacala很高兴地宣布Ouster已经获得了多项“多光束闪光（Multi-Beam Flash）”激光雷达（LiDAR）核心技术的基础专利，这使Ouster能够更公开地谈论他们在过去三年中开发的令人惊叹的技术。
Ouster创始人兼首席执行官、Quanergy前联合创始人Angus Pacala
搭载Ouster公司OS-1 64激光雷达的测试车辆
据麦姆斯咨询报道，过去的一年，Ouster团队常常被问及如何在如此紧凑、低成本的外形下实现令人难以置信的性能。现在，Ouster创始人兼首席执行官Angus Pacala很高兴地宣布Ouster已经获得了多项“多光束闪光（Multi-Beam Flash）”激光雷达（LiDAR）核心技术的基础专利，这使Ouster能够更公开地谈论他们在过去三年中开发的令人惊叹的技术，以及Ouster为什么能凭借一系列低成本、紧凑型半导体激光雷达传感器（包括机械扫描型和固态传感器）引领市场。
Angus Pacala想用这篇文章来深入探讨Ouster实现数量级性能提升背后的技术，以及为什么它是最有可能进入未来每辆车以及每个户外机器人的赋能技术。
不走寻常路的工作波长
虽然Ouster的技术适用于各种波长，但Ouster激光雷达的一个独特特点是采用了850 nm工作波长。激光雷达中的激光器必须克服周围的环境光才能“看”到障碍物。因此，激光雷达工程师通常会选择低太阳光通量区域的工作波长，以简化系统设计。而Ouster与这一趋势背道而驰，选择了在850 nm波长下工作。
上图为地面太阳光子通量与波长的关系曲线，在850 nm波长处的太阳光比传统激光雷达系统的工作波长905 nm、940nm、1550 nm分别高约2倍、10倍和3倍
由于Ouster的波长选择与产业其它厂商背道而驰，因而其产品呈现了许多特色的外观。但是，Ouster突破性的专利技术之一便是出色的环境光抑制性能，即使考虑太阳光谱的差异，也使Ouster传感器探测到的有效环境光通量远低于其他厂商其他波长的激光雷达传感器。Ouster的专利技术把通常不利的因素转变成了许多关键优势：
1、更低的水汽吸收性：高层大气中的水蒸气吸收导致太阳光谱在905 nm、940 nm和1550 nm处有显著下降，但是激光脉冲在地表传输时，地面的雾等湿度条件也会产生同样的效应，吸收宝贵的激光能量，导致激光雷达接收器捕获的激光减少。相比之下，850 nm光谱在所有条件下都具有更低的大气水汽吸收，比其它流行的激光雷达工作波长（如1550 nm）要低几个数量级。这意味着Ouster激光不会在潮湿环境中被吸收，可以实现一致性更高的运行。当然，光谱的水蒸汽吸收问题不应与大气中的液态水（如雨水或浓雾）相混淆，这对所有激光雷达传感器来说都是挑战。
2、更高的CMOS探测器灵敏度：硅基CMOS探测器在850 nm处比在较长波长处灵敏度高得多，例如，从850nm波长到905 nm波长灵敏度大约降低了2倍。在850 nm处设计Ouster激光雷达系统使其能够检测到更多反射回传感器的激光，这相当于获得了更长的探测距离和更高的分辨率。
3、更高的环境图像质量：Ouster最近发布的固件使OS-1能够收集激光雷达成像以外的环境图像，850 nm工作波长便与此有很大关系。利用更多来自太阳的850 nm光子，环境图像具有更高的信噪比，这在黎明、黄昏或阴天时更加有用。
4、采用更低功耗、更高效率的技术：Ouster专利技术使其能够相比竞争对手，将任何工作波长下的环境“本底噪声”降低一个数量级以上。这使Ouster激光器和接收器能够使用各种低功耗、高效率的技术，而这些技术通常被认为不可能在传统高性能激光雷达中应用。Ouster的技术专注于以更低的成本、更低的功耗、更小的尺寸和更少的组件来实现更好的性能。
Ouster偶尔也会被问到人眼安全问题，Ouster使用的激光器远低于人眼安全限制，并且已经被第三方实验室认证为1级人眼安全的激光器。
单颗OS-1 64激光雷达传感器的SLAM输出
“多光束闪光”核心技术
在过去的三年中，Ouster开发了许多核心专利技术来解决过去使单芯片技术被排除在激光雷达之外的挑战，最终通过“多光束闪光”激光雷达架构，充分发挥了垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL）和单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode, SPAD）的优势。在Ouster的核心技术中，“闪光”指的是传感器中的每个像素都被激光照射，并同时像带闪光灯的相机一样有效收集光线，“多光束”指的是用精确的光束而非大量的泛光来照明整个场景。
第二点可以追溯到Ouster对效率的专注研究：传统闪光激光雷达中的泛光照明，虽然更容易开发，但却会在探测器“看不到”的区域浪费激光功率。通过仅向探测器能“看到”的区域发射精确光束，Ouster实现了比传统激光雷达更大的效率提升。
此外，目前的VCSEL和SPAD并没有现在已在使用的高成本传统技术那样高效，但是它们在原始性能方面的几乎所有其他指标都具有完胜优势，例如：可靠性、耐用性、低噪音、高温运行、电气效率、紧凑性、成本、与外围组件的直接集成、由消费电子产业推动的大规模外围研发，以及基本性能方面的巨大改进空间。
最后一点非常重要，与其它技术不同，VCSEL和SPAD可以将基本性能提高10倍，Ouster正与合作伙伴一起投资研发，不断改善这些器件的核心特性。Ouster无疑已处于这一方向的最前沿，能够提供具有高清分辨率的紧凑型激光雷达。
单颗OS-1 64激光雷达的点云输出
Ouster采用VCSEL，因为它们比其它激光器技术更小、更轻、更耐用、更快、更易于制造，并且功率效率更高。目前激光雷达系统中使用的某些类型的脉冲激光器（例如，1550 nm光纤激光器），可能需要花费数千美元并且功耗达到数十或数百瓦，而Ouster的VCSEL成本要低几个数量级，功耗仅为数瓦，且尺寸更小巧。此外，随着全球上千亿颗VCSEL出货，Ouster还在性能、批量和成本方面遵循摩尔定律改进曲线。
同时，Ouster的VCSEL与光学鼠标或智能手机中使用的器件不同。Ouster开发了定制化的VCSEL模块，将所有激光器整合在一颗半导体芯片上。此外，Ouster在VCSEL设计的每个层面都取得了突破，将VCSEL有效亮度提高了几个数量级，同时还将光脉冲缩短至几个纳秒。
Ouster的单芯片VCSEL具有大幅降低系统复杂性和成本的附加优势。其它激光雷达需要在电路板上精密排布数十甚至数百个昂贵的激光器芯片和激光驱动电路，Ouster的激光雷达仅需要使用单颗激光驱动器和激光器芯片。因此，OS-1-64在每个方向上实现140米的探测距离，仅需要一块不超过一粒米大小的玻璃片。
一种采用SPAD探测器的新型CMOS ASIC
Ouster激光雷达中的第二颗芯片是其定制设计的CMOS探测器ASIC，它采用了先进的SPAD阵列。SPAD是一种相对较新的光子传感器，当检测到光子时会产生一个二进制脉冲，与传统的相机像素不同，后者产生的模拟信号会随着探测器上的光量而不断变化。SPAD具有单光子灵敏度、低噪声和极佳的时间分辨率（典型的抖动在10 ps和100 ps之间。ps为皮秒，也就是万亿分之一秒！），所有这些优势使它们成为Ouster激光雷达探测和超短激光脉冲的理想选择。
与VCSEL一样，CMOS SPAD和其它激光雷达制造商的传统方法相比也具有许多实际优势。最重要的是它们可以直接集成在CMOS晶圆中，从而在探测器旁边的硅基芯片上整合大量的信号处理。
随着激光雷达分辨率和数据速率的不断提高，片上信号处理至关重要。目前的OS-1-64探测器能够每秒计数并存储超过一万亿个光子到片上存储器中。这是一个庞大的数据量，Ouster已经在超过1000万个晶体管中实现100 GMAC/s（1 GMAC = 10亿乘法累加运算）的信号处理逻辑，最终能够每秒产生数百万个3D点，其客户可用于自动驾驶、环境测绘以及识别障碍物。
未来，对激光雷达的处理要求只会越来越高，Ouster凭借定制CMOS SPAD芯片已经处于领先地位。
SPAD也沿着摩尔定律的性能曲线前进。虽然今天的SPAD可能仅有2~5%的效率，新的SPAD效率为20~30%（在850nm波长），随着技术的成熟，效率可提高至80%。SPAD探测器效率的提高，可以直接增加激光雷达的探测范围和分辨率，SPAD探测器10倍的效率提升，极有可能使OS-1实现640线的分辨率。与激光雷达中使用的传统探测器技术不同，Ouster的SPAD技术已经实现了市场领先的性能，但仍然具有一个数量级的改进空间。
在商用无人机上搭载Ouster激光雷达的室内3D扫描图
目前，市场上有多家使用边发射二极管激光器和APD的机械旋转激光雷达公司；多家使用电信类光纤和频率可调激光器的调频连续波（FMCW）/多普勒激光雷达公司；多家使用光纤激光器的1550 nm扫描振镜（galvo）激光雷达公司；以及多家MEMS扫描激光雷达公司，但是，Ouster是第一家将高性能SPAD和VCSEL方案商业化的公司。
高风险高回报，专注开发自己的ASIC
开发自己的ASIC是Ouster突破性能和成本的关键，但这种方案并非没有风险。每个ASIC的“流片（Tape out）”都是一项数百万美元的投资，其交付周期常以季度或年来衡量。设计中的错误时有发生，并且通常无法修复！
在Ouster创业的第一个三年里，流片出错很可能会导致公司失败，但Ouster的ASIC团队一次又一次地出色表现，至今已经成功交付了七款ASIC，并且每款都比之前更强大、更可靠。Ouster团队在这个高风险任务中的执行力得到了极大的回报，当然，他们并不认为这是理所当然的。
开辟自己的高速公路
据麦姆斯咨询介绍，Ouster通过战略性的工作波长选择、环境光抑制突破以及集成的定制VCSEL和SPAD阵列，成功商业化了第一款使用VCSEL和SPAD的多光束闪光激光雷达。凭借其独特方案，Ouster能够相比市场上的其它公司，以更低的原材料成本和零售价格提供更强大、更高质量的3D激光雷达。
除了十几项正在申请中的专利外，Ouster所做的不仅仅是构建有趣的技术和高性能的产品，其还将自己定位为激光雷达竞争市场的技术领导者。
最后，Angus Pacala说道：“撰文介绍我们的技术很棒，但交付高性能产品更让人兴奋。我们的激光雷达传感器现已发货，并被各行各业的数百位客户使用，包括驾驶辅助、自动驾驶、机器人、测绘、安防和无人机等。”
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