①傳統(tǒng)激光雷達需要依靠人工實現(xiàn)激光發(fā)射電路板和接收電路板的微米級對準，這種工藝耗時、低
效，且設備體積較大。
②新技術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準，實現(xiàn)了機器自動對準，提
高總裝效率的同時，也減小了設備尺寸。
③C-Fans-128線激光雷達探測前方人體效果圖。
本報記者 操秀英
不到三公斤的無人機激光雷達、針對電力行業(yè)定制的激光雷達電力巡檢系統(tǒng)解決方案、含自主芯片的避障激光雷達……在此前于浙江省湖州市德清縣召開的聯(lián)合國世界地理信息大會上，北京北科天繪科技有限公司(以下簡稱“北科天繪”)的激光雷達系列產(chǎn)品成為一大亮點。這些激光雷達不但更小更輕，而且在保持高性能的同時還讓成本大大降低。
那么，激光雷達技術難在哪?北科天繪的激光雷達又有何過人之處?
系統(tǒng)復雜導致激光雷達體積過大
激光雷達，簡而言之即通過主動發(fā)射及接收激光信號實現(xiàn)三維探測的高精度傳感器，“它由激光發(fā)射、激光信號接收、光學及掃描、信號處理和系統(tǒng)控制等模塊組成。”北科天繪技術總監(jiān)張珂殊介紹道，激光雷達不僅自身就是高度集成化的光機電一體化傳感器，使用中還要與全球衛(wèi)星定位 (如北斗、GPS)、慣性導航單元(IMU)、可見光相機、紫外相機、高光譜相機等各種傳感器做時空同步集成，涉及多傳感器數(shù)據(jù)融合和一體化標定，技術門檻很高。
“激光雷達的工作原理與微波雷達相近，以激光做信號源，激光信號到達目標表面 ——樹木、道路、橋梁和建筑物等，在上述目標表面產(chǎn)生后向散射，從而使一部分激光回波信號回到激光雷達的接收器。然后通過光電信號轉(zhuǎn)換和信號處理，實現(xiàn)激光測距計算，即得到目標點測距。激光信號掃描目標物表面后，還可以得到目標物表面三維點的數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)進行三維成像處理后，我們就擁有了精確的三維目標模型數(shù)據(jù)(目標立體圖)。”張珂殊說。
北科天繪總經(jīng)理張智武告訴科技日報記者，國際先進測繪型激光雷達的核心性能指標包括：公里級測距范圍，毫米級測距精度，百萬級激光發(fā)射頻率。這要求高度優(yōu)化的激光雷達系統(tǒng)設計技術，尤其是激光雷達信號的精細和實時處理能力，包括微弱信號的采集和放大，噪聲的識別和濾除以及時間精準計量，空間位置信息和反射強度信息的瞬態(tài)測量等。
“由于光的傳播速度極快，上述信號接收，處理和三維數(shù)據(jù)生成要在極短的時間內(nèi)(納秒)完成，因此難度很大。”張智武說，激光雷達是迄今為止最復雜的，效率和精度最高的傳感器之一，與相機相比，它多了主動發(fā)光和光信號調(diào)制及解調(diào)的模塊，實現(xiàn)每秒鐘百萬次精準測量，其本身就是一個復雜的集成性系統(tǒng)。
然而，如此復雜的集成性系統(tǒng)，也讓集成電路設計成了激光雷達技術研發(fā)的攔路虎，大量國產(chǎn)激光雷達過于復雜的組裝會讓激光雷達體積重量過大，使用起來很不方便。
芯片組獨辟蹊徑，雷達實現(xiàn)小身板
“我們的核心競爭力正是創(chuàng)新了激光雷達的芯片和集成電路設計。”張珂殊表示，傳統(tǒng)的激光雷達集成電路技術，需要將激光發(fā)射器、探測器、放大器等數(shù)百個電子元器件封裝到一個比指甲蓋還小的專用芯片中，用單枚芯片實現(xiàn)激光雷達的整體控制。
“然而傳統(tǒng)的激光雷達是由電路板構成，比如我們通常說的16線激光雷達就是由16對激光電路板組成(如圖①)，需要依靠人工實現(xiàn)激光發(fā)射電路板和接收電路板的微米級對準，這種工藝耗時、低效，且體積較大。而我們使用自主開發(fā)的激光雷達信號處理芯片組，通過半導體封裝工藝精巧地解決了精密光機裝調(diào)與大尺寸機械誤差間跨數(shù)量級尺度差異，使復雜的激光雷達組裝及測試過程極大簡化(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準，實現(xiàn)了機器自動對準，提高總裝效率的同時，也減小了設備尺寸。”張珂殊介紹， 獨辟蹊徑的激光雷達的芯片和集成電路設計，讓激光雷達“活”出了小身板。
截至目前，北科天繪已研發(fā)5款激光雷達信號處理芯片。今年推出的輕小型高性能低成本無人機雷達——蜂鳥，這一最新款的無人機雷達系統(tǒng)重量做到了1.2公斤，探測距離大于200米，續(xù)航作業(yè)時間大于100分鐘，并且實現(xiàn)了與通用無人機系統(tǒng)的深度集成，法國、韓國、加拿大、澳大利亞、意大利等國已成為無人機載雷達產(chǎn)品代理商，向國外進行出口。
提高探測能力，導航避障優(yōu)勢明顯
導航避障激光雷達，是無人駕駛領域的重要一部分。而北科天繪的拳頭產(chǎn)品，多線束導航避障激光雷達——R-Fans，填補了國內(nèi)此項空白，并打破了該類型激光雷達的輕小化紀錄，目前R-Fans-32激光雷達相比國內(nèi)外同類產(chǎn)品減輕25%。
此外，“R-Fans系列產(chǎn)品還實現(xiàn)了12位強度分辨率的探測能力，在高精度地圖數(shù)據(jù)獲取方面可以媲美高端測繪型激光雷達，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，可間接促進自動駕駛的數(shù)據(jù)基礎和普及速度。”張智武介紹道。2018年，北科天繪還在國內(nèi)首發(fā)128線的半固態(tài)前裝激光雷達(Semi-Flash LiDAR)，持續(xù)與該領域國際領先企業(yè)比肩，保持我國全自主研發(fā)生產(chǎn)自動駕駛激光雷達國際競爭力。
“現(xiàn)在主流的雷達測距能力可能只有100多米，車廠希望測距大于200米。我們的激光雷達在美國實地測試的時候有明顯技術優(yōu)勢，首創(chuàng)了激光雷達和車頭大燈合為一體的理念，放在飛機上的測繪激光雷達測繪范圍也已經(jīng)做到5公里。”張智武表示，“在如何減少激光雷達之間的互相干擾問題上，通過激光信道編碼，實現(xiàn)了同汽車平臺上多激光雷達間串擾免疫。在新版本的導航系列激光雷達產(chǎn)品中，解決了多車間、異類激光雷達串擾免疫的難題。”
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產(chǎn)品。“除了定制產(chǎn)品，我們正在談批量的事。”張智武預計，“菜鳥、美團、蘇寧、滿幫、四通一達、順豐等物流公司對于無人物流車都有很大的需求。”
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