通過GM收購OEwaves子公司Strobe來淺析窄線寬激光器在激光雷達中的應用

2017年10月，美國通用汽車公司（GM）旗下的子公司 Cruise Automation收購了激光雷達公司Strobe，Strobe是一家美國加州帕薩迪娜市的激光雷達研發(fā)制造公司。該公司研發(fā)的激光雷達技術(shù)，可將整個激光雷達陣列縮減到一個芯片上，使得激光雷達的體積更小，制造成本更是下降的驚人，達到了99%。相比于市面上激光雷達依靠激光信號發(fā)射和返回之間的微小延遲來判斷距離的方式，Strobe的激光雷達發(fā)射線性調(diào)頻激光，測量距離只需計算返回激光的相位和頻率即可，雷達性能表現(xiàn)更優(yōu)秀、抗干擾能力也更強，可以說是小巧價廉而性能卻絲毫不減。

Strobe公司的FM LiDAR原型產(chǎn)品

目前主流的LiDAR（激光雷達）系統(tǒng)通過發(fā)射激光，并測量物體反射激光的飛行時間（ToF）來測量與物體之間的距離。這種ToF測量方法能夠在毫秒內(nèi)分辨300米外物體厘米級的尺寸差異。不過，這種傳統(tǒng)LiDAR單元采用的ToF測量方法也有其共性問題。例如，簡單的ToF測量技術(shù)容易受到其它信號源的干擾，并且，隨著距離的延長、信號的減弱，這種干擾帶來的影響會更大。因此，基于ToF測量的LiDAR的有效測距范圍，主要依賴于其對相對較弱的反射信號的探測能力。而簡單地提高LiDAR光電探測器的靈敏度，同時也會使其更易于受到干擾信號的影響。因此，這些當前主流LiDAR所面臨的源生技術(shù)挑戰(zhàn)，或許是促使GM（通用汽車）近期收購Strobe的原因之一。Strobe被通用收購時僅有12名員工，該公司專注于為自動駕駛汽車開發(fā)100美元以下的固態(tài)LiDAR。Strobe的LiDAR技術(shù)方案與其它制造商不同，它模仿線性調(diào)頻雷達開發(fā)了一種線性頻率調(diào)制（FM）激光，其線性脈沖的頻率能夠線性變化。探測器通過測量反射的線性調(diào)頻脈沖激光的相位和頻率，不僅能夠獲得物體的距離信息，還能測量其相對運動速度。此外，該技術(shù)方案還使LiDAR單元更抗干擾（因為干擾信號通常為非調(diào)制信號），并且，不需要靈敏度超高的探測器便能實現(xiàn)信號探測。

Strobe通過采用另一家名為OEwaves的公司的技術(shù)，解決了FM LiDAR的相關(guān)問題。實際上，Strobe是從OEwaves獨立出來的一家專注于自動駕駛汽車LiDAR開發(fā)的創(chuàng)業(yè)公司。OEwaves由Strobe公司主要創(chuàng)始人之一創(chuàng)辦于2000年8月，總部位于美國加州帕薩迪那，公司致力于微波光子領(lǐng)域的研究，處于國際領(lǐng)先地位，公司的核心技術(shù)包括光電振蕩器（OEO）和“回音壁模式（whispering gallery mode）”光學諧振腔。這種被稱為回音壁模式的光學諧振腔技術(shù)，能夠通過光反饋降低激光器的線寬?；匾舯谀Ｊ剑櫭剂x，參考了聲波在曲面上反射傳播的原理。該原理在北京天壇的回音壁以及很多教堂中都有應用，它也能夠應用于光波的傳輸，光在微型玻璃球體或圓形面內(nèi)可以幾無損耗的往復傳播。從OEwaves申請的專利，我們可以一窺其回音壁模式光學諧振腔的運行原理，Strobe公司的FM LiDAR很可能應用了該專利技術(shù)。

如上圖所示，激光器發(fā)射的激光束，通過一個相位旋轉(zhuǎn)器和透鏡，利用第一光學耦合器（4a）耦合進入一個回音壁模式（WGM）諧振腔，并沿順時針循環(huán)。第二光學耦合器（4b）將光學諧振器中沿順時針方向循環(huán)的光耦合出光學諧振器以作為輸出光束，經(jīng)過透鏡和反射鏡（8a）后，再將反射光束的至少一部分沿逆時針方向再次耦合到光學諧振器中，以增加在光學諧振器沿逆時針循環(huán)的光的光學能量。與此同時，第一光學耦合器（4a）將光學諧振器中沿逆時針循環(huán)的光耦合出光學諧振器，作為反饋到激光器的反饋光，以穩(wěn)定激光器頻率，并減小激光器的線寬；由此構(gòu)成線寬極窄的高穩(wěn)定性小體積激光器，可以應用于LiDAR系統(tǒng)中。如此看來，該技術(shù)確是調(diào)制回音壁模式光學諧振器光學特性的良策。諧振器光學特性的頻率調(diào)制，為LiDAR系統(tǒng)提供了所需的高線性、可重復的光學線性調(diào)頻脈沖激光。

OEwaves應用于ADAS（先進駕駛輔助系統(tǒng)）的LiDAR系統(tǒng)框圖

和其它專利申請中的實施例介紹一樣，專利中對OEwaves公司LiDAR設計的技術(shù)細節(jié)介紹也很含糊。例如，針對FM技術(shù)，專利中僅稱利用一款變頻器（通過電極、電阻加熱器和/或壓電器件）可以改變回音壁模式光學諧振器的光學特性（例如折射率等）。Oewaves稱，在所有實施例中，所有這些組件，即使是球形或環(huán)形諧振腔，都可以集成在一個單一襯底上。

OEwaves芯片集成微型激光器的實施例

OEwaves在專利中稱，這種光注入鎖定激光器的線寬在某些實施例中可以低于100 Hz。這個特性非常重要，因為較窄的線寬可以幫助確保線性調(diào)頻脈沖激光的頻率的可重復性。這種激光光源可以提供具有15 GHz或以上帶寬的線性調(diào)頻脈沖激光，使LiDAR系統(tǒng)的距離分辨能力可以下探至厘米級以下。

OEwaves和Strobe這兩家公司都有共同的創(chuàng)始人Julie Schoenfeld和Lute Maleki。Julie 是一位連續(xù)創(chuàng)業(yè)者，擔任過多家公司的CEO。Lute是在NASA噴漆推進實驗室擔任了近三十年的主管。依靠Lute在微波光子技術(shù)上的研究，二人于2000年創(chuàng)建了OEwaves，產(chǎn)品主要應用于通信、雷達等領(lǐng)域。2014年OEwaves從積累的激光雷達技術(shù)中衍生出Strobe。Cruise Automation則是通用汽車收購的自動駕駛公司，它成立于 2013 年。在2014 的時候，該公司公開了它的第一款產(chǎn)品Cruise RP-1，這是一個自動駕駛套件，可以在高速公路上接管司機進行自動駕駛，但跟谷歌的無人駕駛相比還有很長的一段距離要走。而這次收購Strobe，也是通用汽車在收購Cruise Automation后的又一布局，將會進一步加速通用的自動駕駛汽車進度，并降低整車的成本，利于自動駕駛汽車的規(guī)模化。而隨著通用2021年開始出售無人駕駛汽車這一目標的臨近，相信在接下來的時間里通用還會有更多的動作，以謀求在自動駕駛汽車這個大蛋糕里占據(jù)更大份額，而Strobe手里的激光雷達技術(shù)憑借獨特的價格優(yōu)勢，或許可以充當通用奪取蛋糕的刀子。