FMCW​激光​雷达​原型​验证​和​测试

概览

​调频​连续​波​(FMCW)​光​雷达​的​原型​验证​和​测试​面临​着​许多​挑战。​接​下来​让​我们​一起​探讨,​对​这些​挑战​进行​分解,​使​其​变得​可​管理​且​可​付诸行动,​并​学习​有关​如何​逐步​克服​组​件​级​到​系统​级​测试​挑战​的​实用​指南。

引言

说​到​自动​驾驶,​问题​并不​是​能否​实现,​而是​在于​何时​以​何​种​方式​实现。 尽管​业界​普遍​认为​激光​雷达​是​能够​推动​自动​驾驶​发展​的​技术​之一,​但​它​在​实现​规模​化​生产​方面​面临​着​很大​的​障碍。​新的​激光​雷达​设计​提供​了​低成本、​低​功耗、​易​于​制造​的​成像​技术;​但是,​它们​并​未​进行​验证,​也​尚未​商业​化。​不过​这些​问题​是​有望​攻克​的。 FMCW​激光​雷达​为​汽车​制造​商​提供​了​一种​可行​的​自动​驾驶​传感器​技术。​但​这​是​一项​全新​的​技术,​面临​着​未知​的​开发​和​验证​挑战。 我们​先​一下​相邻​行业​如何​利用​汲取​的​经验​教训​来​克服​激光​雷达​发展​中​存在​的​问题。

半导体​市场​已经​找到​以​较​低成本​量产​调制​激光器​和​接收​激光​链​路​的​方法。 国防​和​航空​航天​工业​也​已经​建立​了​大​通道​数​的​高​带​宽​系统​原型,​且​可​满足​不断​变化​的​需求。 而​汽车​行业​也​通过​对​其​现有​的​汽车​产品​进行​FMCW​雷达​测试​来​为​FMCW​激光​雷达​测试​铺路。

接​下来​我们​再​深入探讨​一下​如何​借鉴​其他​行业​的​策略​和​最佳​工程​实践,​将​这​一新​技术​应用​到​汽车​行业。

图1.FMCW​激光​雷达​架构

FMCW​激光​雷达​原型​验证

FMCW​激光​雷达​系统​的​组​建​和​开发​极​具​挑战​性:​它​需要​多个​完美​同步​且​经过​调制​的​激光​源,​以及​至少​同样​数量​的​A/​D​转换​器,​才能​通过​复杂​的​算法​处理​大量​数据,​所有​这些​都​旨​在​为​自动​驾驶​系统​提供​了​3D​视图,​该​视图​由​许多​用​颜色​标记​的​小​点​组成,​同时​能够​显示​车速。 且​先​不​考虑​激光​雷达​的​测试,​我们​来​看看​工程​师​是​如何​建立​激光​雷达​原型​的。

一种​方法​是​将​FMCW​系统​分解​为​电​域​子​系统​和光​域​子​系统​两​部分,​然后​进行​原型​验证。

电​域​子​系统​的​原型​验证

电​域​子​系统​由​发射​端的​FMCW​线性​调频​脉冲​和​接收​端的​高​带​宽​模数​转换​器​组成。​两者​中​最​复杂​的是​接收​链,​因为​这​需要​将​接收​到​的​FMCW​波​剥离​开,​并与​参考​信号​进行​比较,​只有​这样,​才能​产生​结果​的​点​云。

通常,​发射​端​使用​高度​同步​的​多​通道​任意​波形​发生​器,​其​通道​数量​要求​最多​可​超过​32​个​(并​进行​完整​的​发射​系统​原型​验证)。 您​可能​只需要​生成​线性​调频​信号​本身​(通常​小​于​100 MHz),​或者​可能​需要​生成​调制​波形​(可能​超过​3 GHz)。 在​接收​链​上,​高度​同步​的​高​带​宽​多​通道​数字​化​仪​直接​连接​到​FPGA,​您​可以​在​其中​快速​重复​地​对​其​信号​处理​进行​原型​验证。 这些​FPGA​很多​时候​需要​板​载​进行​许多​数字​信号​处理​器​和​快速​傅​里​叶​变换,​因此​需要​相互​通信​以​了解​彼此​时序​和​相对​位置。 只有​这样,​它们​才能​将​结果​发送​回​上位​机​以​生成​4D​点​云。

由于​这些​原型​验证​系统​可能​非常​麻烦,​所以​理想​的​技术​合作​伙伴​应​可以​将​所有​这些​要求​集成​到​单​个​模​块​化​FMCW​激光​雷达​平台​中,​从而​帮助​您​节省​时间​和​金钱。

图​2.NI FlexRIO IF​收​发​器​将​高速​数据​转换​器​与​Xilinx FPGA​相​结合,​适用​于​激光​雷达​测试​等​需要​实​时​信号​处理​和​高性能​模拟​输入​的​应用。

光​域​子​系统​的​原型​验证

光​域​子​系统​需要​的​仪器​比​电​域​多​几​种,​具体​取决​于​激光​雷达​制造​商​使用​哪​种​类型​的​激光​源、​光电​探测​器​和​扫描​(成像)​方法。

几乎​所有​的​FMCW​激光​雷达​光学​原型​都​使用​相干​激光​源,​并​将​电​域​子​系统​转换​为​光​域​子​系统,​然后​将​其​与​光学​器件​混合。 很多​时候,​我们​使用​电​光​转换​器​(E2O)​将​电信​号​转换​为​光​信号,​然后​在​接收​链​使用​光电​转换​器​(O2E)​将​光​信号​转换​回​电信​号。 这​可能​需要​将​一个​连续​波​激光​源​光学​叠​加到​电信​号​上。

PXI​的​优势​之一​是​该​平台​适用​于​光学​原型​验证​和​测试​系统,​因而​可以​与​我们​刚才​讨论​的​电气​系统​相​辅​相成。 例如,​Coherent Solutions​生产​的​光学​PXI​模​块​可以​与​电​域​设备​(通常​在​同​一个​同步​系统​中)​结合​使用,​以​构成​完整​的​原型​验证​平台。

图​3.光电​PXI​系统

此外,​您​还​需要​解决​电源、​模拟​和​数字​控制​与​测量​以及​数据​流​等​需求,​才能​建立​完整​的​FMCW​激光​雷达​原型。​NI​等​公司​提供​了​小​尺寸​的​模​块​化​仪器,​可​方便​地​在​单​个​系统​中​管理​这些​组​件。

芯​片​级​组​件​验证​方法

在​开发​阶段,​需要​通过​一些​验证​和​确认​测试,​来​确保​FMCW​激光​雷达​能够​提供​预期​的​功能。 激光​雷达​测试​要求​通常​分为​芯​片​级、​模​块​级​和​系统​级。

与​原型​验证​系统​一样,​首先​需要​分别​测试​电​域​和光​域。 这​需要​验证​每​个​组​件​的​芯​片​和​专用​集成​电路。 以下​是​芯​片​级​组​件​验证​方法​的​仪器​清单:

电域

发射​端​和​接收​端​(TIA、​CDR、​IC​驱动)

  • 基于​VNA​的​2​或​4​端​口​S​参数​测量
  • > 1 GS/​s AWG,​用于​通过​电力​驱动​组件
  • > 3 GS/​s​示波器,​用于​分析​输出
  • 功率计
  • 误​码​率​测试​仪 (BERT) 和​采样​示波器,​用于​数字​组​件​和​生成​眼图
  • TDR,​以​更​低成本​更​快速​进行​S​参数​测量
  • 电源
 

光域

发射​端​(激光、​调制​器、​扫描​仪)

  • O2E​和​矢量​信号​分析​仪,​用于​测量​相对​强度​噪声
  • OSA,​用于​边​模​抑制比
  • 光学​示波器、​光谱​仪​和​激光​源​(及​其他​技术),​用于​线性​调频
  • 扫​频​激光​电源​和​测量​单元
  • 可变​光​衰减​器​和​开关,​用于​信号​路​由​和​测量
 

接收​端​(光电​探测​器)

  • 相干​光​激光源
  • E2O​和​AWG​或​矢量​信号​发生器
  • 光​混​频器

 

测试​光学​芯​片​的​一个​主要​挑战​是​光学​器件​与​测量​设备​的​对准。 PI-​USA​等​多​家​公司​都​凭借​其​光学​校准​技术​专门​研究​此​功能。

 

图 4. PI USA​平行​光学​对准​(图片​由​PI USA​提供)

模​块​级​FMCW​激光​雷达​测试

将​多​块​芯​片​集成​到​一个​模​块​中​时,​可以​汇​总​各个​芯​片​的​组​件​级​测试​结果。 尽管​我们​先前​讨论​的​所有​测试​均​适用​于​模​块​级​测试,​但​测试​的是​整个​模​块​的​KPI,​并​未​细​分​到​各个​组​件​的​关键​性能​指标​(KPI)。

如果​要​将​设备​级​和​模​块​级​测试​结果​从​实验​室​转移​到​生产​车间,​高效​的​做法​当然是​复​用​实验​室​的​验证​硬件​和​测试​软件。 我们​讨论​的​许多​测试​过程,​包括​晶圆​级​测试​或​生产-​模​块​级​测试,​都​广泛​应用​到​离​岸​装配​和​测试​公司​或​合同​制造​商​的​生产​环境​中。 而且​由于​优​化​单元​测试​成本​可以​将​测试​仪​成本、​测试​时间​和​占地​面积​最小​化,​因此​您​将​再次​受益​于​与​像​NI​这样​的​公司​合作,​因为​NI​可以​将​台式​测试​设备​复​用到​生产​测试​仪​中,​并​利用​PXI​来​缩短​测试​时间。

 

图​5. 从​特性​分析​到​生产​均​适用​的​通用​平台

系统​级​FMCW​激光​雷达​测试

至此,​所有​激光​雷达​硬件​和​软件​都​组合​在一起​进行​系统​级​测试。 理想​的​系统​级​测试​会​将​完整​的​FMCW​激光​雷达​放到​一个​小​室内,​并​以​光学​方式​模拟​真实​世界​的​远程​环境,​从而​诱​骗​激光​雷达​建立​一个​模拟​该​真实​环境​的​点​云。 在​本文​撰写​之​时,​市场​上​并​未​出现​低成本​的​商用​FMCW​全​点​云​仿真​方法。

但是,​我们​可以​光学​模拟​对象​和​目标,​这​对于​验证​光学​器件​和​算法​以及​执行​校准​以及​生产​测试​过程​极为​有用。​NI​合作​伙伴​(比如​Konrad Technologies、​Dvin Technologies​和​Averna)​致力​于​提供​激光​雷达​对象​仿真​和​环境​仿真​解决​方案。

我们​还​可以​将​信号​以​数字​方式​注入​光学​器件​后面,​以​使​激光​雷达​系统​认为​它​看到​了​完整​的​点​云。

由于​没有​理想​的​系统​级​验证,​因此​大​多数​工程​师​只能​依赖​于​现场​测试。 他们​在​室内​或​室外​放置​已知​对象​及其​特征,​以便​激光​雷达​系统​成像。 然后​根据​实际​情况​验证​激光​雷达​的​性能,​并​判定​系统​合格/​不合格。 尽管​许多​公司​目前​采用​该​方法​来​进行​激光​雷达​系统​的​线​下​生产​测试,​但​这种​方法​不​具备​扩展​性。

图​6. 激光​雷达​现场​测试​范围1

 

结论​

激光​雷达​技术​正在​不断​发展。 要​使​无人驾驶​汽车​成为​现实,​还有​许多​工作​要​做,​FMCW​激光​雷达​将​是​其中​的​主要​贡献​者。 但是​基于​本文​讨论​的​挑战,​显然,​具有​不同​领域​专业​知识​的​公司​需要​合作,​才有​可能​使​激光​雷达​商业​化。 让​我们​共同​努力,​针对​不同​的​挑战​制定​高效​的​解决​方案。 我们​的​NI ADAS/​自动​驾驶​团队​将​随时​待命,期待​您​与​我们​联系,​共​启​成功​之​旅。 

 

 

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