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专栏 | 我们拆解了一台固态激光雷达，有了这些新发现
本文作者：周彦武 2017-11-26 18:55
导语：LeddarTech固态激光雷达拆解。
专栏 | 我们拆解了一台固态激光雷达，有了这些新发现
雷锋网按：本文为雷锋网专栏，作者系佐思产研研究总监周彦武，雷锋网(公众号：雷锋网)经授权发布。
LeddarTech是源自加拿大魁北克国家光学研究所的初创企业，累计融资1.2亿美元，投资方包括全球三大Tier1麦格纳、德尔福、马瑞利，全球第一大光电元件厂家欧司朗，大型混合信号半导体厂家IDT等。
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LeddarTech并非是要提供激光雷达产品，而是要提供固态激光雷达的关键元件之一：信号处理集成电路。
不过，为了推广其集成电路，LeddarTech推出了一系列固态激光雷达的套件，不带MEMS镜的套件价格不到600美元。
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上图为LeddarTech固态激光雷达示意图，激光发射阵列发射多组激光，PIN型光电二极管接收激光反射回来的光波，类似于CCD或CMOS图像传感器的原理，最终得到一张3D图像。
图像中的物体与雷达的精确距离可以通过简单的计算得知，同时可以根据激光反射强度值，轻松识别出常见物体，如行人、道路、混凝土建筑、路灯、草地，也可以用MEMS镜偏转来使激光束对物体进行扫描。
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这次拆解的是LeddarVu8激光雷达，LeddarVu8激光雷达参数如下：
专栏 | 我们拆解了一台固态激光雷达，有了这些新发现经过十多年来的潜心研发，LeddarTech技术如今已经发展得相当成熟，可以应用在各种商用解决方案中，如高级驾驶辅助系统（ADAS）、交通管理、导航定位、液位测量等。
LeddarTech具备系统开发和集成商在研发激光雷达应用时对传感器的主要需求：小尺寸、低成本、低功耗、可靠性高、坚固耐用、适应性强。
发射部分：光学镜头
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激光发射镜头部分采用准直透镜和衍射透镜结合的方式。反射式和透射式准直镜被用在光束传递系统中，以维持激光谐振腔和聚焦光学元件之间的光束的准直性。
反射式准直镜一般使用的是铜制全反镜，而透射式准直镜则使用硒化锌透镜。衍射光栅透镜基板上光刻上不同厚度的衍射层，通过衍射关系，将不同波长或强度的光成像在不同位置，从而实现分光作用。其作用就像一个光子路由器，将光子们组合成各式各样的形状。
当激光束穿过激光衍射板的微观结构时，光子将被激光衍射板上面的各种形状重新进行定向，类似于旋转型激光雷达的多线扫描。
衍射光栅的基底是低膨胀系数的玻璃或熔石英，上面镀铝，然后把平行线刻在铝膜上。衍射光栅的精度要求极高，很难制造，一般用在天文仪器上。
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发射部分的激光二极管是Excelitas Technologies供应，Excelitas Technologies是全球最大的民用激光二极管公司之一，年收入大约7亿美元，总部位于美国马萨褚塞。激光二极管型号为TPGEW1S09H，属于225微米系列。
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Excelitas Technologies采用金属密封内包装和塑料胶囊外包装设计，相对于工业用激光器来说价格低了很多，适合大量生产的产品。
TPGEW1S09H采用GaAs外延片，采用InGaAs激发层。采用905纳米红外激光。
接收部分
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接收部分主要是接收镜头和光电二极管阵列，接收镜头貌似就是一般的聚焦玻璃镜头。
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光电二极管阵列是日本滨松的S7509，参数如下：
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S7509采用芯片式封装，可以用回流焊或者SMT贴片，很适合大规模量产。暗电流比较小，信噪比较高。滨松也有线性APD阵列和单光子阵列产品。
电路部分：母板、发射板和接收板
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发射板上有一片德州仪器的D类功率放大器，这芯片一般用于音频放大，推动扬声器这种电流型负载，可能是用来放大电流供电给激光二极管，是个比较奇怪的设计。
接收板上有三片主芯片，包括Lattice的一款PLD，你也可以称之为FPGA，型号为LCMOX3LF-2100E-6MG121C。
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通过上图可以得知这款FPGA属于MachXO3系列，采用Flash配置内存，逻辑运算大院为2112个，最快型，121脚csfBGA封装，商业级产品。
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上图为LCMOX3LF-2100E-6MG121C的内部框架图，与一般的FPGA最大不同是其内置PLL锁相环电路。PLL(Phase Locked Loop)： 为锁相回路或锁相环，用来统一整合时脉讯号，使高频器件正常工作，如内存的存取资料等。
PLL用于振荡器中的反馈技术。 许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步。一般的晶振由于工艺与成本原因，做不到很高的频率，而在需要高频应用时，有相应的器件VCO，实现转成高频，但并不稳定，故利用锁相环路就可以实现稳定且高频的时脉冲讯号。
对脉冲型激光雷达来说，高精度时钟是保证雷达检测距离精度的关键。Leddar Tech目前还没有推出ASIC，只能先用FPGA代替。
接收板上有片Atmel的Flash MCU，型号为ATSAMS70N20-CFN，这是一片内置1024Kbyte Flash和384 Multi Port SRAM的MCU，采用100脚LQFP封装，内置ARM Cortex M7内核，M7是ARM M系列性能最强一款。下图为ATSAMS70N20-CFN的内部框架图。
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接收板上还有八片美信的MAX3806，MAX3806是光学距离测量器，内置一个60K或30K的开关阻抗，还有一个衰减器和前置放大器。
8片代表8个接收通道。MAX3806、MAX4311和MAX1446一起配合使用，MAX4311是MUX/AMP，MAX1446是一个10比特全差分模拟输入ADC，比特率60Mbps，内置精密参考电压，32脚TQFP封装，主要用于超声图像生成和CCD图像生成。
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Flash固态激光雷达可以看做一个图像传感器，上图为应用实例。
母板上主要为供电部分，核心芯片是一片村田的LKDC55KAAA-205，这是一片非隔离式DC/DC转换器，可以输出3A电流，主要供应发射部分。
小结
经过拆解可以看出PIN型固态激光雷达除镜头外都有标准的量产元件可以选择，门槛很低，成本也不高，未来可以取代传统的低像素摄像头。但与摄像头比，激光雷达可以全天候全天时工作，雨雪雾霾，白天黑夜都能胜任。
可以想象，未来将会出现更多固态激光雷达产品，而性能更好的线性APD和单光子激光雷达，具备更高的分辨率，有可能进一步挤压摄像头的生存空间。
注：本文部分图片来源自YOLE拆解报告
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