Quanergy 3D Lidar：安全社交的新守護者

Quanergy是一家專門利用雷射雷達進行3D探測的光電公司，為防止空間過於擁擠，該公司開發了一種可以監控空間內人員流動的系統，該系統甚至可以跟蹤體溫較高的人。

公司的Qortex流管理平臺榮獲2020年大流行科技創新獎。隨著Covid-19全球流行，Quanergy調整其平臺，提供可靠的社交距離解決方案，這仍然是控制病毒傳播的最有效策略。

雷射雷達是一種飛行時間(ToF)傳感技術，它以低功率發射雷射，測量傳感器和目標之間完成一次往返所需的時間。

Quanergy首席營銷Enzo Signore表示:「通過測量發射光到接收光之間的時間，你可以實時測量物體的距離。」當雷射雷達傳感器在垂直和水平方向發射光時，收集的數據用於生成三維圖像，提供空間位置和深度信息，以識別、分類和跟蹤移動的物體。

Quanergy的戰略最初專注於為自動駕駛汽車提供基於Lidar的解決方案。通過與許多客戶的合作，我們看到雷射雷達技術正在被其他市場以更快的速度吸收。特別是基於3D無人機的地圖業務、智慧城市、智慧空間、安全以及工業市場。因此，在過去的幾年裡，我們擴大了我們的產品戰略，為其他市場開發產品和解決方案。現在，我們看到了這一戰略的好處，加速了市場的接受程度。Quanergy目前處於非常有利的地位，不僅提供硬體傳感器，而且還提供軟體平臺，使市場能夠迅速採用許多複雜的應用程式。」

在安全方面，雷射雷達技術大大降低了假警報，每個覆蓋區域的成本降低了5倍多，而且比基於攝像頭的系統的精確度顯著提高。增強的操作情報允許你管理社交距離的空間佔用和流量調節。

據公開信息，Quanergy 的競爭力和創新性來自三方面：

雷射相控陣（Optical Phased Array）

光學集成電路（Photonic IC）

遠場輻射（Far Field Radiation Pattern）。

其中雷射相控陣是實現「固態」的重要技術。但「固態」雷射雷達在當時也引起一些討論：因為 Quanergy S3 採用的是相控陣方式（Optical Phased Array）。

火爆的Lidar

雷射雷達的原理是基本固定的，但建立一個雷射雷達系統不一定簡單。工程師計算距離的公式是:物體距離=(光速x飛行時間)/ 2。雷射雷達測量飛行時間，用來計算飛行距離。經過的距離然後轉換為高度。這些測量是通過使用飛機雷射雷達系統的關鍵組件，包括識別光能的X、Y、Z位置的GPS和提供飛機在天空中的方向的內部測量單元(IMU)。

其中一個複雜的因素是發射的光可以在不同的方向上反射。觀察一棵樹，一些光子有可能會被樹枝反射，但其他光子會繼續穿過地面並從地面反射，甚至有可能一個光脈衝會產生多次反射。

本質上，它與雷達技術非常相似。兩者都使用了速度、角度和範圍等參數。當然，雷達使用的是無線電波而不是光。雷射雷達可以提供三維圖像，從而完整地創建周圍的世界。

不像相機，雷射雷達不提供任何隱私風險。Signore：「這裡不涉及面部識別，所以沒有隱私信息的侵犯。」

雷射雷達系統的硬體本質上由發射器、接收器和點雲組成，點雲識別來自掃描環境的一組數據，以及建築物、樹木和其他永久性結構等固定物體。一種數據集，可以通過軟體系統轉換來創建給定區域的基於lidar的3D圖像。

識別參數是定義為傳感器所覆蓋角度的視場。通常，雷射雷達傳感器的性能是在水平和垂直視場測量。

在雷射雷達中要考慮的另一個因素是目標的反射率。雷射雷達技術反射光線很重要，一些目標比其他目標反射得更好，更容易被探測到。白色表面比黑色表面反射更多的光。因此，後者非常難以檢測。鏡子以特定的方向反射，該方向可能不是傳感器的方向。不像其他物體那樣將入射光分散到不同的方向。

目標如交通標誌和車牌反射高百分比的光到接收器，是雷射雷達傳感器的良好目標。由於這些差異，雷射雷達傳感器的實際性能和最大有效範圍可能會因目標的表面反射率而有所不同(圖1)。

Signore：「我們給市場帶來了許多獨特的價值主張。第一個是關於點雲的準確性和豐富性，一切都是關於數據的。因此，Quanergy比其他解決方案更好的一個關鍵特徵就是我們可以生成非常豐富的3D點雲。例如，用我們的產品，我們可以每秒收集130萬次脈衝。這為我們周圍的世界創造了非常豐富的3D圖像。」

「第二個關鍵區別在於感知軟體。擁有一個點雲很重要。但更重要的是如何解釋傳感器正在觀察的東西並使之有意義。因此，使用我們稱為Qortex的感知軟體，我們現在可以解釋傳感器周圍的物體。例如，我們可以看到人，車輛，背景，然後我們可以計算有多少人在視野中，不僅XYZ位置，還能識別速度和方向。傳感器可以確定你我之間的距離並告訴我們。所以我們也可以將這些信息用於社交距離應用。我們可以提供95%到98%的精度，這取決於應用的類型，與光照條件無關，它可以在完美的，漆黑的夜晚，也可以在一個陽光燦爛的白天。

另一個根本區別在於解決方案的總體成本。例如，在我們的例子中，使用m系列，我們可以在最遠70米的距離內以95%以上的精度看到和分類物體。因此，一個傳感器可以覆蓋15000平方米。你將需要超過100個攝像頭來覆蓋相同的區域。」

Quanergy提供M和S系列的硬體傳感器。m系列雷射雷達傳感器用於地圖、安全、智慧城市和智慧空間應用。s系列是一個真正的100%固態雷射雷達基於光學相控陣(OPA)技術，提供抗振動和超過100,000小時的平均故障間隔時間(MTBF)。此外，經濟和可伸縮的CMOS矽工藝可以實現極具成本效益的大規模生產。

Qortex平臺

Quanergy公司的Qortex流量管理平臺配備了雷射雷達傳感器和人工智慧技術，為計數、對象檢測、分類、跟蹤、監控、社交距離等提供實時分析。

該平臺集成了熱感攝像機來識別和跟蹤體溫較高的人。保障私隱，毋須登記，亦不會有披露可辨識個人身分資料的風險。該解決方案可用於監視公司、零售店、機場、工廠、配送中心和公共運輸中的社交距離。

每個應用領域都有其自身的複雜性和技術挑戰。您需要確保有足夠的傳感器覆蓋整個視場，同時還要繞過阻礙視場的遮擋，例如柱或其他複雜的環境、架構元素(圖2)。

正在申請專利的Qortex人計數器平臺是基於Qortex感知軟體和S3-2固態雷射雷達傳感器組成。這個集成的軟/硬體解決方案結合了機器學習和3D感知算法來掃描傳感器的視野，分析雷射雷達S3-2點雲，並提供實時檢測到的匿名數據。S3-2系列雷射雷達傳感器使用傳感器融合技術，可實現精確計數。

Qortex DTC(檢測、跟蹤、分類)是Quanergy平臺的大腦，能夠實時監控，生成大量數據，包括位置、方向、速度和被檢測物體的類型。通過它的API，終端用戶、系統集成商和應用程式開發人員可以構建一個強大的分析和商業智能工具來監視和自動化流程。

雷射雷達技術可以成為一種加強監督社交距離的方法。當人與人之間的距離小於建議距離，或者某一區域的人數超過一定限度時，就會發出警告，並派工作人員前往。該解決方案還可以與熱感攝像機集成，在保證陰死的情況下確定體溫。這一解決方案也可用於體育場館，向公眾重新開放體育賽事可能對改善人們在這種緊張時期的情緒有積極作用。

延伸閱讀——光學相控陣OPA是啥？

講一下什麼叫做相控陣？

相控陣即相位補償(或延時補償)基陣，它既可用以接收，也可用以發射。其工作原理是對按一定規律排列的基陣陣元的信號均加以適當的移相(或延時)以獲得陣波束的偏轉,在不同方位上同時進行相位(或延時)補償,即可獲得多波束。其優點是，不必用機械轉動基陣就可在所要觀察的空間範圍內實現波束的電掃描，非常方便靈活。同時，基陣的尺寸便可做得大一些以提高空間增益。

光學相控陣(OPA)的概念來源於傳統的微波相控陣，但比微波相控陣有著明顯的優勢，由於光學相控陣是以工作在光波段的雷射作為信息載體，因而不受傳統無線電波的幹擾，而且雷射的波束窄，不易被偵察，具備良好的保密性。另外，相比於大體積的電學相控陣，光學相控陣可以集成在一塊晶片上，尺寸小、質量輕、靈活性好、功耗低。這些優勢使得光學相控陣在自由空間光通信、光檢測和測距(LIDAR)、圖像投影、雷射雷達和光學存儲等領域有著極大的吸引力。

光學相控陣基本原理

光學相控陣的基本原理和微波相控陣類似，一束光經過光分束器分為多路光信號，在各路光信號不存在相位差的情況下，光到達等相位面處的時間相同，光向前傳播，不會發生幹涉，因而不會發生波束偏轉。在各路光信號附加相位差之後(以各路光信號賦予均勻的相位差為例，第二個波導與第一個波導的相位差為ΔϕB，第三個波導與第一個波導的相位差為2ΔϕB，以此類推)，此時的等相位面不再垂直于波導方向，而是有了一定的偏轉，滿足等相位關係的波束會相干相長，不滿足等相位條件的光束就會相互抵消，故光束的指向總是垂直於等相位面。如圖1所示，設相鄰波導之間的間距都為d，則相鄰波導輸出的光束到達等相位面的光程差為ΔR=d·sinθ，其中θ表示光束偏轉角度，由於這個光程差是由陣元的相位差引起的，因而ΔR=ΔϕB·λ/2π，所以在陣元中引入相位差完成了波束的偏轉效果，這就是一維相控陣的掃描原理。

基於上述優勢，雷射雷達在光學相控陣上可以說是一個巨大的發揮舞臺。傳統的機械掃描雷射雷達系統複雜、掃描速度慢、質量大、體積大，不利於集成，無法大規模生產，尤其是目前隨著人工智慧的發展，無人駕駛汽車和輔助駕駛成了很熱門的研究方向，無人駕駛汽車極為重要的一環就是雷射雷達，它就好比是汽車的眼睛，為無人駕駛汽車指引方向；傳統的機械掃描雷達的掃描視場太小，很顯然無法滿足無人駕駛汽車的要求，同時機械式掃描的雷射雷達掃描速度慢，實時性差，無法實時地把控路況，這就需要光學相控陣雷射雷達。鑑於上述問題，一種解決方式就是在器件中完全取消機械結構，採用光通信中較為成熟的平面光波導技術來製作光學相控陣掃描器件。