Lunewave 發明 3D 列印龍勃透鏡,專攻自動駕駛市場

2021-01-09 DeepTech深科技

毫米波雷達是一種常見的感知技術,其工作頻段在毫米波頻段,波長在 1mm~10mm,即帶寬在 300GHz~30GHz(1GHz=109 Hz)之間。這個頻段的波長相對較長,可以感知的範圍遠,但是往往精度也比較低,比如輔助駕駛常用的 77GHz 頻段,精度遠遠低於基於可見光的攝像頭,更不用說雷射雷達。

圖表 | 電磁波譜圖(來源:網絡)

龍勃透鏡(Luneburg lens)可以解決前面提到的問題。不同於大部分天線,龍勃透鏡是一個球形,由數層從外到內折射率逐漸增加的材料製成,可以發射和接收電磁波。龍勃透鏡的帶寬非常寬,測量精度高,而且其天線能增強接收反射回來信號的能力,使得信噪比變高,而球形設計可以向全空間各個方向發射波束,擁有無死角的視場。

圖 | 標準龍勃透鏡的橫截面

傳統製作龍勃透鏡的方法就像洋蔥,從中間開始,再疊加不同厚度的各個薄層,各層的生產都需要對 3D 空間結構控制非常精確。這種製作工藝難度高,成本高,這一模式也限制了龍勃透鏡實現更高精度。

辛皓博士是全球最了解龍勃透鏡的人之一。他在電磁波領域有二十多年研究,是亞利桑那大學電子和計算機工程系和物理系教授,並在他創立的毫米波天線電路實驗室任主任。

2007 年,辛皓了解到 3D 印表機的精度已經能達到幾十微米,他當時第一個念頭就是,可不可以用來做毫米波,甚至是太赫茲(THz,指帶寬在 100GHz-10THz 之間的頻段)的器件。當然,最吸引人的是能不能用 3D 做龍勃透鏡。

要實現 3D 列印龍勃透鏡,最關鍵的一點是材料的折射率。3D 列印市場的產品主要是展覽品、機械用品等,即使是全球最大的 3D 廠商也沒有對列印材料折射率進行細緻的區分,於是辛皓的團隊買來大量材料,使用專業設備不斷測試,最終發現一些高分子材料(ploymer)非常不錯,性質正好適合做成龍勃透鏡。

圖 | Lunewave CTO 辛皓(來源:Lunewave)

時光如水,七年過去。期間這個團隊不斷優化工藝和設計,把製作過程打磨成熟。他們與科技機構合作,提供產品。在幾種 3D 列印技術中,他們最終選擇了高分子噴射技術(polymer jetting/polymerization),這一技術支持高分子材料,並且可以實現最高的精度,達到十幾微米。

圖表 | 3D 列印技術特性對照表(來源:Lunewave)

具體來說,列印時使用紫外線(UV)或其他光源來固化液態的列印材料,列印材料通常是光敏高分子聚合物。

直到 2016 年,他們已經設計出低成本生產的流程,能夠實現量產並保證產品的質量。團隊認為產品商業化的時機已經成熟,創立 Lunewave 公司,四個人的創始團隊除了辛皓,還有他的弟弟辛江,後者任 CEO。

圖 | Lunewave 使用 3D 列印製成的龍勃透鏡,從左至右的規格分別是直徑 240mm 使用頻率上限 20 GHz、直徑 70 mm 使用頻率上限 40 GHz、直徑 28mm 使用頻率上限 110 GHz (來源:Lunewave)

理論上講,3D 列印的龍勃透鏡可以應用在 5G 的無線通訊、無人機傳感器、機器人傳感器。而這家企業考慮到自身還是初創公司,目前團隊人比較少,只有 12 個人,計劃年底前擴張到 20 個人,因此,他們決定先專攻一個場景,自動駕駛。

根據市場研究機構 Plunkeet Research 的數據,全球汽車毫米波雷達市場出貨量將在未來幾年間穩定增長,預計到 2020 年將達到近 7000 萬個。

雷射雷達、攝像頭、毫米波雷達是自動駕駛傳感器必備「套件」,各有優勢和局限,無人車往往同時使用上述三種以實現傳感器冗餘和安全保障。短期來看,各個傳感器很難取代彼此。

雷射雷達精確度高、測距測速強、自帶光源因此適合除強日光外的大部分光線條件。但是,雷射的波長短,穿透性差,不適合雨雪天氣,並且雷射雷達成本高。

儘管高端雷射雷達可以實現更遠的探測距離,比如 Velodyne 的 128 線產品 VLS-128,可以探測 300 米的範圍,不過成本也明顯增加,雖然 Velodyne 沒有透露這款產品的售價,不過一定遠高於其 64 線產品的 7.5 萬美元。

攝像頭獲得的圖像細節豐富,並且產品成熟度高,價格低;但是,攝像頭對光線條件有要求,既不能光線過強也不能完全黑暗。

毫米波雷達測量距離遠,穿透力強,適合各種天氣環境,並且產品成熟,已經廣泛應用在量產車上。但是毫米波雷達精度低,視場也更小。

Lunewave 面向自動駕駛市場推出高精度毫米波雷達,W-BandLens,這一代 W-BAND 龍勃透鏡的角解析度達到 1 度,測距可以實現 350 米。

圖 | 高精度毫米波雷達 W-Band Lens(來源:Lunewave)

相比同類毫米波雷達產品,Lunewave 的優勢在於精度高、全方位、並且成本與傳統雷達相當。

目前車載毫米波雷達一般落到三個頻段:24—24.25GHz 頻段帶寬窄,可以用於檢測後方兩側車道是否有車;77GHz 頻段用於完成測距測速,實現 ADAS 功能,比如 AEB、自動跟車;79GHz—81GHz 頻段才可以用於自動駕駛領域,可以完成行人等更精細的區分。

毫米波雷達市場已經被 ABCD,即 Autoliv、Bosch、Continental 和 Delphi,四家巨頭佔領,不過他們主要提供 24GHz 的變道輔助雷達,或者 77GHz 頻段的毫米波雷達以實現輔助駕駛功能,而面向自動駕駛市場的 79-81GHz 頻段還沒有玩家勝出。

從產品來看,W-BAND 龍勃透鏡的帶寬在 76-81GHz,適合應用於輔助駕駛和自動駕駛汽車。辛皓表示 Lunewave 並沒有釋放龍勃透鏡的全部能量,這款產品事實上可以實現廣泛的 75-110GHz 頻段。

高精度全方位的特點反映到汽車上,就是需要安裝的毫米波雷達數量減少。實際應用時,一個毫米波雷達放到車頂,360 度範圍內都可以覆蓋,即使在設計方面考慮汽車整體性,也只需要前後各安裝一個,這就比之前的十幾個有很大進步。

作為對比,傳統輔助駕駛中一項 ACC 功能一般就需要 3 個毫米波雷達,一個 77GHz、探測距離遠、角度小的雷達,以及兩個 24GHz、探測距離近、探測角度更大的雷達。

除了硬體方面,Lunewave 還進行了軟體層面的創新,可以實現適應性感知和抗幹擾。其雷達產品不需要處理信號就可以感知其來源,因此能簡化對信號處理的要求,簡化對晶片複雜度的要求;此外,Lunewave 產品可以快速感知幹擾信號來自何方,消除幹擾。

目前 Lunewave 已經與寶馬等幾家跨國汽車廠家合作,其 W-BAND LENS 已經用於無人車的測試。融資方面也取得進展,Lunewave 在 2017 年完成天使輪融資,並在今年獲得來自遠瞻資本等的種子輪投資。

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