基于905nm边发射激光器的波长稳定技术助力激光雷达系统低成本小型化
2021-12-22 02:17 [编辑: MiaHuang]

激光雷达技术一直在汽车的感知系统中扮演着举足轻重的角色,近几年来,高级辅助驾驶技术飞速发展,自动驾驶概念也一次次出现在人们视野当中,随着自动驾驶技术逐步落地,激光雷达系统也迎来了更大的发挥舞台。

1550nm和905nm, 两强相遇,谁胜一筹?

先说激光雷达系统中发射器部分,1550nm光纤激光器功率大,光束质量好,拥有更高的人眼安全阈值。905nm边发射半导体激光器基于InGaAs/GaAs材料,成本低且技术成熟。

图一. 905nm和1550nm激光器主要性能比较

再从适配两个波长的探测器角度考量,基于1550nm光纤激光器的激光雷达系统无法搭配常规的硅探测器,而需要用到更加昂贵的铟镓砷(InGaAs)探测器,因此在价格上较基于905nm激光雷达系统会更为昂贵。即便抛开成本因素,就探测效率,响应速度,工作温度范围几方面而言,针对905nm的硅探测器也具有明显优势。

图二. 针对905nm和1550nm探测器主要性能比较

由于发射器和探测器方面的优势,使用905nm边发射激光器的激光雷达系统已然在市场中占据主导地位,成为大多数激光雷达厂商理想的选择。

何为波长稳定技术?

激光器发射一定波长的信号光到达周围环境,经环境反射后的信号光由探测器捕捉接收,随后进行信号处理,实现测距和测绘,这便是激光雷达系统的基本工作原理。其中使用光学滤波片将非信号波段过滤,只允许包含信号光的波段到达探测器,对于提高信噪比进而提升激光雷达灵敏度尤为重要。允许信号光通过的带宽越宽,意味着同样带宽的背景噪声(主要来自太阳辐射)也会到达探测器,影响信噪比。如果能将信号光的波长在激光雷达的工作温度范围内限制在比较小的区间,则可有效缩窄探测器端的光学滤波片带宽,大幅提升信噪比。

传统的边发射激光器虽然在功率密度等关键参数上有着无可比拟的优势,但较大的波长随温度漂移系数(约0.28nm/K)在有些应用上受到限制。在-20°C到+125°C的工作温度范围内,波长漂移约40nm,再加上激光器本身的波长产出分布有约+/-10nm的范围,如不使用额外的控温设计,接收端光学滤光片带宽应至少保持60nm宽度,以便信号的有效接收和利用。

图三. 传统边发射激光器波长随温度漂移特性

艾迈斯欧司朗集团最新研发的基于905nm边发射激光器的波长稳定技术,实现了激光器在-20°C到+125°C的工作温度范围内波长漂移仅在10nm,相比于目前的技术,波长漂移降低至原来的1/4。再加上生产工艺的不断优化,波长产出分布由原来的+/-10nm提升到+/-7nm,进一步压缩发射端激光器的波长波动范围。在不加任何控温设计的情况下,即可将接收端光学滤波片带宽缩小至24nm。

图四. 使用(绿色虚线)/不使用(黑色虚线)波长稳定技术对应的滤波片带宽比较

波长稳定技术优势何在?

新的波长稳定技术还将为激光雷达系统带来多个关键优势,进一步为激光雷达赋能。在激光雷达保持同样的输出功率不变的情况下,如果光学滤波片带宽可以减少50%,激光雷达测距范围将可增加约15%到30%。换个角度来讲,如保持相同的目标探测距离,在波长稳定技术的加持下,可实现以更低的功率驱动激光器,预计检测相同目标所需的激光功率将比现有激光技术降低 25%-40%,有效降低耗能,大大提高激光雷达工作效能。

应用新波长稳定技术的传统雷达系统可通过精简TEC等控温器件而减轻自身体积、重量以及成本,为汽车设计预留更多想象的空间。除此之外还可以激光器的光谱优化光电探测器的响应曲线以提高响应度和效率,进一步提升整个雷达系统的灵敏度以及整体性能。

艾迈斯欧司朗长期深耕于传感与光学技术领域,持续推动创新,并一直致力于为客户提供具有竞争力的激光雷达解决方案。基于新波长稳定技术,我们可以更好的帮助客户完成一台性能与性价比兼具且满足人眼安全需求的基于905 nm的激光雷达,助力合作伙伴在日趋激烈的竞争中脱颖而出。(文:艾迈斯欧司朗集团系统解决方案工程经理——孙文轩)

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