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作为自动驾驶中的关键传感器,激光雷达最让人关心的问题是车规化与低成本。这两个问题决定了激光雷达能否大规模量产,应用到可落地的自动驾驶方案之中。

据麦姆斯咨询报道,一直以来,MEMS激光雷达都被视为在自动驾驶领域最快落地的商业LiDAR技术路线。2019年才过去四分之一,MEMS激光雷达领域投资的新闻以及各家新品的推出,让我们强烈地感受其落地的脚步声越走越近!

在年初的美国 CES
上,我们几乎把所有参展的激光雷达公司看了个遍。在《固态激光雷达成为
CES「主流」,但还未出现真正的巨头》这篇文章中,我们谈了谈对今年激光雷达发展的看法,其中重要主题就是:固态激光雷达。

今年CES是激光雷达厂商大爆发的一年,可以说几乎每家参展的公司都展出了瞄准市场化的产品,技术方案也是百家争鸣。如果要用一句话总结,就是机械方案的新产品几乎销声匿迹,一大批混合固态方案样机亮相,有的已经开始展示实战能力,纯固态的Flash与OPA产品鲜有技术展示,但也公布了新的合作关系或量产时间。

刚刚过去的3月,MEMS激光雷达厂商Innoviz
Technologies宣布完成C轮共计1.32亿美元的融资,投资方除了以色列投资机构以外,也出现了中国投资机构的身影。今年1月在美国拉斯维加斯举办的CES
2019,中国激光雷达领军企业速腾聚创和禾赛科技分别推出自家的MEMS激光雷达:RS-LiDAR-M1和PandarGT
3.0。在此之前,速腾聚创和禾赛科技是机械式激光雷达技术路线的佼佼者。在从机械式激光雷达向固态激光雷达的演变过程中,一些企业选择直接进入全固态激光雷达,也有许多企业深耕于混合固态技术路线——MEMS激光雷达。那么,2019年真的会成为MEMS激光雷达技术路线元年吗?

毫无疑问,固态激光雷达是未来无人车必备的「秘密武器」。目前,世界上还没有哪家公司的固态激光雷达产品「上车」量产。车企、供应商和自动驾驶公司,都在密切留意固态激光雷达的最新发展。

最受欢迎的混合固态方案

从Yole最新发布的《汽车和工业应用的激光雷达-2019版》报告中可以看出:MEMS和Flash技术路线更受到激光雷达制造商的青睐

哪家激光雷达公司在未来 3-5
年内掌握了无人驾驶「量产」的核心技术,哪家公司就赢得了未来。

混合固态依然是最受欢迎的一种方案,以MEMS为主要代表。

我们知道,机械式激光雷达体积庞大且价格昂贵,如Velodyne
的32线激光雷达HDL-32E需要32组发射光源与32组接收光源进行一一对应调试,对装配要求非常高,量产出货效率堪忧;或者使用旋转镜,在不同方位和下倾角度,以略微不同的倾斜角度来控制单束脉冲激光,如法雷奥SCALA。光学相控阵激光雷达作为全固态激光雷达之一,体积大幅减少,装配时间也可控,可靠性高,但受到芯片成熟度不足等各种问题的牵制,离落地还有一段较长的路要走。闪光激光雷达暂时无法同时满足远近成像的要求,但随着单光子面阵探测技术的成熟,有望成为未来的激光雷达技术路线方向。

虽然都在做「固态激光雷达」,但大家的技术路线却不尽相同,不过最终大家的目标很一致:做出满足车规级、低成本、易量产的固态激光雷达,同时还要保证研发进度不能落后于竞争对手。

激光雷达的本质是利用ToF原理,通过发射激光来进行物体的探测,要想探测到车辆周围足够多的数据信息,就需要激光能够对应地扫描到这些位置。机械式激光雷达通过旋转来达到这个目的,但是动部件在可靠性、寿命、对振动的适应等方面都存在或多或少的问题,因而考虑到最终的车规级量产,难以实现。

美好的故事开局:酝酿多年的MEMS微振镜

“「固态」的三种姿势”

这也是固态激光雷达在今年会爆发的原因:随着自动驾驶技术的应用推进,L4以上级别的自动驾驶的市场化也开始倒计时,此时发布的激光雷达产品,如果量产顺利,则基本都能赶上第一波量产时间。

MEMS微振镜也称为MEMS扫描镜、MEMS微镜,本文统一采用MEMS微振镜表达。按原理区分,主要包括四种:静电驱动、电磁驱动、电热驱动、压电驱动。其中前两种技术比较成熟,应用也更广泛。德州仪器在1996年就将静电驱动的MEMS微振镜成功实现了商业化应用。

先来回顾固态激光雷达的几种技术路线,我们会逐一分析其优劣势:

图片 3先锋MEMS激光雷达样品

MEMS微振镜工作示意图

MEMS:微机电系统,将传统机械式激光雷达中的旋转装置「电子化」,通过在硅基芯片上集成的微振镜来代替传统的机械式旋转装置,由微振镜反射激光的光线,批量生产可在一定程度上降低生产成本。

MEMS通过可以上下左右震颤的振镜来调整激光发射的角度,从而可以实现单线激光发射器的2维的扫描效果。这个方案从技术上较容易实现,相对于其他技术路线成本低廉可控,因而被主机厂看好,这是MEMS受欢迎的原因。

何为MEMS激光雷达?本文将“采用半导体‘微动’器件——MEMS微振镜在微观尺度上实现激光雷达发射端的光束操纵方式”称为“混合固态”。同时,把采用上述光束操纵方式的激光探测和测距系统称为混合固态激光雷达或MEMS激光雷达。那么,为什么产生“混合固态”的概念呢?因为MEMS微振镜是一种硅基半导体元器件,属于固态电子元件;但是MEMS微振镜并不“安分”,内部集成了“可动”的微型镜面;由此可见MEMS微振镜兼具“固态”和“运动”两种属性,故称为“混合固态”。可以说,MEMS微振镜是传统机械式激光雷达的革新者,引领激光雷达的小型化和低成本化。

MEMS
的核心零件是「微振镜」,它在工作时会高频振动,对于实现车规级来说,这是天然的劣势。同时,这块微振镜的镜面尺寸依然不够大,并且还没有能够满足车规级温度要求的产品出现。

但是微颤镜依然属于动部件,MEMS激光雷达面临的问题首先在于如何让微颤镜的高频振动可控,其次则在于如何达到车规级。目前较为成熟的方案是4*4mm的振镜,大多数MEMS激光雷达都是使用这款产品。一方面精细的动部件在可靠性与寿命上要达到车规要求,难以适用不同的温度与振动环境;另一方面要想增强效果,需要更大的振镜,但是振镜越大,越偏向于机械属性而非半导体属性。

MEMS激光雷达工作原理图

目前,采用 MEMS
技术路线的激光雷达公司不少,但这块「微振镜」却仍旧需要依靠外部采购,供应商包括荷兰
Innoluce、日本滨松等公司。(注:Innoluce 公司在 2016
年已经被英飞凌收购,可见微振镜对于 MEMS 激光雷达的重要性)

不过,这次车云菌深度接触的两家混合固态方案的公司,都提到自身产品与MEMS有所不同。

之所以业界将MEMS激光雷达视为最快落地的技术路线,主要原因来自三个方面:

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1.Velodyne

一是MEMS微振镜帮助激光雷达摆脱了笨重的马达、多棱镜等机械运动装置,毫米级尺寸的微振镜大大减少了激光雷达的尺寸,无论从美观度、车载集成度还是成本角度来讲,其优势都令人惊叹!

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Velodyne在这次CES上正式展出了自家的混合固态产品Velarray。关于Velarray,此前车云菌有过简单的介绍,详情点击这里。

第二,MEMS微振镜的引入可以减少激光器和探测器数量,极大地降低成本。传统的机械式激光雷达要实现多少线束,就需要多少组发射模块与接收模块。而采用二维MEMS微振镜,仅需要一束激光光源,通过一面MEMS微振镜来反射激光器的光束,两者采用微秒级的频率协同工作,通过探测器接收后达到对目标物体进行3D扫描的目的。与多组发射/接收芯片组的机械式激光雷达结构相比,MEMS激光雷达对激光器和探测器的数量需求明显减少。从成本角度分析,N线机械式激光雷达需要N组IC芯片组:跨阻放大器、低噪声放大器、比较器、模数转换器等。麦姆斯咨询估算每组的芯片成本约200美元,仅16组的芯片成本就高达3200美元。Innoluce曾发布一款MEMS激光雷达设计方案,采用MEMS微振镜,并将各种分立芯片集成设计到激光雷达控制芯片组,这样下来激光雷达的成本控制在200美元以内。

总之,微振镜将会成为选择 MEMS
路线的激光雷达公司必须面临的难关。解决不了微振镜问题,谈不上是一个拥有核心技术的激光雷达公司。

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Innoluce采用MEMS微振镜的MEMS激光雷达设计方案,成本低于200美元

OPA:光学相控阵技术,这原本是用于军事雷达的一项技术。相控阵发射器由若干发射接收单元组成一个矩形阵列,通过改变阵列中不同单元发射光线的相位差,可以达到调节射出波角度和方向的目的。

关于Velarray,其实这次Velodyne并没有透露太多。在参数方面,Velarray的最远探测距离200米,角分辨率能够达到0.1度。预计在今年6月份可以达到交付状态,到年底之前会开始小批量提供给客户装机测试。

第三,MEMS微振镜并不是为激光雷达而诞生的器件,它已经在投影显示领域商用化应用多年。最成功的应用案例就是德州仪器的DLP显示,其核心技术则是德州仪器独有的“黑科技”——采用静电原理的MEMS微振镜组成的阵列,每一面微振镜构成一个单色像素,由微振镜下层的寄存器控制特定镜片在开关状态间的高速切换,将不同颜色的像素糅合在一起。此外,在3D摄像头、条形码扫描、激光打印机、医疗成像、光通讯等领域,MEMS微振镜也不乏成功应用案例。

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关于Velarray采用的技术路线,Velodyne并没有透露,只是提到目前Velarray内部依然会有动部件,但是并没有轴承与反射部件,类似于MEMS但又与MEMS不同。根据此前公布的消息,Velarray将会是一个产品系列,未来的量产成本预计将会低于500美元。

时至今日,真正车规级的激光雷达只有一款,那就是来自法雷奥的机械式激光雷达SCALA,配置于奥迪2017年发布的Level
3自动驾驶汽车——奥迪A8。SCALA采用直接飞行时间法测距,光束操作单元是旋转扫描镜,光源是高功率激光二极管,探测器是具有三个敏感单元的雪崩光电二极管阵列。当然,法雷奥还将计划推出采用MEMS微振镜的激光雷达:SCALA
3。那么,为什么MEMS激光雷达充满希望,并且MEMS微振镜技术在其它应用领域已经成熟,但还未出现真正车规级的MEMS激光雷达呢?

固态激光雷达概念是 Quanergy 在 2016 年 CES 炒火的,而火的核心就 是 OPA
光学相控阵技术。

2.Innovusion

曲折的故事情节:MEMS微振镜从消费级走向车规级的鸿沟

不过问题在于,OPA
技术从原理上就存在「旁瓣效应」,即激光在最大功率方向以外会形成「旁瓣」,导致激光能量被分散。其次,OPA
激光雷达的接收面大、信噪比也比较差。

与Velodyne类似,Innovusion也并没有在技术路线上公布太多细节,仅提到内部还存在运动部件,是一款固态激光雷达。去年,车云菌曾专访Innovusion
CEO鲍君威与CTO李义民,关于研发思路与产品化方案,这里有详细介绍。

首先,就MEMS微振镜本身来讲,技术门槛就很高。德州仪器的DLP技术傲视群雄,背面的故事则是:这项技术在1987年问世,最初仅用于国防,直到1996年才投入商业化应用,整整九年的时间,这家资金雄厚、技术开发能力强大的公司才获得了成功。其难度可窥见一斑。技术成熟且量产的MEMS微振镜企业基本集中在国外,比如被德国英飞凌收购的Innoluce、美国Mirrorcle、日本滨松、瑞士意法半导体、美国MicroVision等。可喜的是,中国MEMS微振镜企业近些年发展迅速,如西安知微传感、台湾Opus、苏州希景科技等。

从融资进程等因素来看,Quanergy
可能是最有实力解决这个问题的公司。不过在今年的 CES 上,Quanergy
并未展出实时扫描效果,而是用简易的动画来展示识别到的人,有点令人意外。

图片 8Innovusion激光雷达

其次,MEMS微振镜在投影显示等领域的成功无法复制到车载激光雷达。MEMS微振镜属于振动敏感性器件,车载环境下的振动和冲击容易对它的使用寿命和工作稳定性产生不良影响,使得激光雷达的测量性能恶化。因此,有必要对MEMS微振镜的隔离振动技术进行深入研究。激光雷达作为“人命关天”的关键传感器,要符合车规同时满足量产,要逾越的鸿沟尚需技术的提升和时日的堆砌。

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在这次CES上,Innovusion更多是展示这款激光雷达的测试效果,也是难得进行实际路测的激光雷达厂商。据称第一代产品量产单价可以控制在一两千美元。

再次,相比于用于机械式激光雷达的多棱镜和摆镜,MEMS微振镜尺寸确实大大缩小了,但带来的问题是限制了MEMS激光雷达的光学口径、扫描角度,视场角也会变小。

从技术原理来看,MEMS 和 OPA 各有千秋,但还是有共通点的,比如都使用了 ToF
时间飞行原理,都属于「扫描式」激光雷达。

Innovusion的独特之处在于会将激光雷达与摄像头进行融合,与Aeye的iDar思路有些类似。目前Innovusion的主要工作在于产品的小型化,并根据客户需求进行性能上的优化。

为了获得最大化的光学口径,MEMS激光雷达厂商追求大尺寸MEMS镜面。但集成电路制造的从业人员都知道,芯片尺寸越大,成本越高;同时对缺陷越敏感,同一片晶圆制造出来的芯片良率与单颗芯片尺寸成反比,因此会大大增加制造难度和成本。同时,尺寸大带来的问题是扫描频率的降低,可能无法满足车载激光雷达实时测距和成像的要求,MEMS激光雷达设计人员必然面对权衡尺寸和频率的难题。

除了 MEMS 和 OPA 路线之外,还有第三种:3D
Flash,属于「非扫描式」激光雷达。

图片 10安装在测试车后备箱的计算单元

同时,为了获得较大的扫描角度,需要大偏转角度的MEMS微振镜。但是,扫描系统分辨率由镜面尺寸与最大偏转角度的乘积共同决定,镜面尺寸与偏转角度是一对无法调和的“冤家”。解决该问题的方向有两个:通过调制驱动电压频率,让MEMS微振镜处于谐振工作状态,此时最大偏振角度会被放大;通过光学组件进行扩束,放大最大偏振角度。不过,扩束又会带来众多纷繁复杂的技术问题,这里不展开讨论。

3D Flash:Flash
顾名思义,就是「闪光」,这种固态激光雷达像一个手电筒一样,发射一个面阵光,再通过高灵敏度的传感器绘制环境图像。

从当前的产品形态来看,距离量产还有一段距离。目前样机中只能输出激光点云数据,数据的计算以及传感器的融合都是在后备箱的计算单元中完成。据介绍,Innovusion今年4月会推出第一代第三版产品,并开始向客户提供样品,在美国开始生产,到8月份,开始生产第二代产品,届时摄像头硬件也会融合到激光雷达中。

机械式激光雷达、MEMS激光雷达和OPA激光雷达扫描方式对比,受限于MEMS微振镜的镜面尺寸和偏转角度,MEMS激光雷达扫描角度偏小

从原理上来说,这三种固态激光雷达的相同点在于都运用了「ToF
飞行时间」基本原理,不过 MEMS 和 OPA 依然属于「扫描式」,而 3D Flash
则属于「非扫描式」。

Flash与OPA各有进展

目前,美国MEMS微振镜制造商Mirrorcle通过键合的方法,在加工完驱动器后,将另外加工的大镜面组装在驱动器上面,提高填充比,因此可提供尺寸大至7.5mm的MEMS镜面,从而受到众多MEMS激光雷达系统厂商的青睐。但是,Mirrorcle大尺寸镜面的MEMS微振镜价格在数千元。作为前期演示产品,咬咬牙也就忍了,但一旦上量,如此高的成本是无法商用的。在这种情况下,我们看到国内外的一些激光雷达产业链厂商,通过自研或者投资/收购公司的方式,掌握MEMS激光雷达的命脉。如英飞凌收购荷兰Innoluce,为MEMS激光雷达厂商提供芯片和方案;速腾聚创投资希景科技,布局MEMS激光雷达,据麦姆斯咨询此前报道,希景科技开发的MEMS微振镜镜面直径为5mm,已经进入量产阶段;禾赛科技的PandarGT
3.0中用到的MEMS微振镜则是由自研团队提供。

3D Flash 技术的天然优势在于:
首先是全固态,没有任何移动部件,更像是一个半导体产品。如此一来,在大批量生产从而降低成本、通过车规级方面,3D
Flash 技术有天然的优势。

而另外两条路线,Flash与OPA,今年也有所进展。

Mirrorcle官网提供的MEMS微振镜产品报价单

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1.大陆

工作温度范围也是MEMS微振镜通过车规的一大门槛。通常情况下,车规级产品需要核心元器件满足-40℃到125℃的工作范围。在实际应用过程中,MEMS微振镜的材料属性会随着环境温度的改变而发生变化,从而导致微振镜运动特性的变化。因此材料的选择和制造工艺对实现车规级MEMS微振镜来说,是巨大的挑战。

任何事物都有「两面性」,3D Flash 也有困惑众人的技术难题。

大陆在这次CES上展出了将会在2021年开始量产的Flash激光雷达产品。在2016年,大陆收购了一家初创企业ASC旗下的激光雷达事业部,将其激光雷达事业部人员编入了大陆的底盘与安全事业部下的ADAS业务单元中。在去年的CES上,大陆就有展示3D
Flash的激光雷达产品。

受限于MEMS微振镜的镜面尺寸,MEMS激光雷达接收端的收光孔径非常小,成为其量产路上的棘手问题。这里补充一些激光雷达接收端的知识。由于只有一小部分脉冲发射的光子可以到达接收端光电探测器的有效区域。如果大气衰减沿脉冲路径不变化,激光光束发散度可忽略不计,光斑尺寸小于目标物体时,入射角垂直于探测器且反射体是朗伯体,则光接收峰值功率P为:

传统 3D Flash
激光雷达采用的是单脉冲测量,一个单脉冲如果要把整个视野照亮,需
要非常高的能量。因此,单脉冲的峰值功率能达到上百千瓦,甚至兆瓦级别。而兆瓦级别的功率,无法使用普通的半导体激光器,需要搭载固体激光器才行。但固体激光器成本极高,且极高的单次峰值也无法保证人眼安全。

Flash的方案与MEMS和机械激光雷达都不同,不是通过扫描的方式进行探测,而是类似于摄像头的原理,直接向探测区域发射出一片激光(而非单个光束),然后再通过高灵敏度的接收器接收激光,进而得到周围的点云图像。

其中,P0为发射激光脉冲的光峰值功率,
ρ为目标反射率,A0为接收器的孔径面积,η0为探测光的光谱透射,γ为大气衰减系数。

目前,许多方案解决商会采用 1500nm 到 1800nm
的人眼安全激光波段。虽能大幅度提高人眼安全容限,但使用这样的长波段,普通的硅基传感器无法感光,因而不得不使用例如铟镓砷这样的传感器芯片。这种芯片极为特殊,且成本非常高昂。

根据今年大陆工作人员的介绍,其激光雷达产品被称为HFL,使用1064nm波长的激光,计划在2020年开始量产。

根据上面的公式,我们可以知道,光接收峰值功率与接收器孔径面积成正比。因此,MEMS微振镜的镜面尺寸小的“硬伤”,让MEMS激光雷达在接收信号时收光孔径大大受限,光接收峰值功率也难以达到要求!

“中国公司掌握「核心科技」?”

图片 12大陆3D
Flash激光雷达HFL110 B Sample

故事的结局会是完美的吗?

在年初逛 CES
的时候,我们遇到了一家叫做「光珀智能」的中国公司,是为数不多的选择 3D
Flash
路线的公司,之前很少见诸于媒体。我们也在光珀团队回国后的第一时间对其进行了专访。

HFL目前有两个不同的产品,其差异在于分辨率不同。其中HFL1系列分辨率是128×32,检测范围为120°x30°,最远检测距离50米,在20米位置处可以检测到低反射率(10%)的物体;HFL2系列分辨率192×64,目前有两款,一款检测范围60°x30°,最远检测距离100米,在40米位置处可以检测到低反射率的物体;一款检测范围30°x10°,最远检测距离200米,在100米位置处可以检测到低反射率的物体。

针对MEMS激光雷达固有的问题,研究机构和企业也提出了不少尝试方案。比如在光源的选择上,选用1550nm光纤激光器;在光电探测器方面,选用阵列接收器。与MEMS微振镜取长补短,打造车载可用的MEMS激光雷达。

了解这家公司,先从产品说起。

图片 13大陆激光雷达点云效果图,传感器设置在泳池边,前方有围栏与门

比如,禾赛科技在2019年年初发布的MEMS激光雷达PandarGT 3.0,选择是1550
nm光纤激光器。1550
nm波段的激光,其人眼安全阈值远高于905nm激光。因此在安全范围内可以大幅度提高1550
nm光纤激光器的激光功率,从而提高接收端的峰值功率,更适用于远距离探测。

光珀已经推出了第一代 ToF
传感器芯片,基于这一代芯片推出三个技术平台:GP001A、GP002A 和
GP003,分别满足不同距离下,强阳光下,大场景,高精度,高空间分辨率等三维感知需求。

因为采用一片激光的探测方式,并非是单个光束,因而HFL目前针对雨水与烟雾天气进行了特别处理,可以通过多次接收的方式来屏蔽掉雨水与烟雾造成的影响。另外,因为激光雷达的表面是暴露在空气中,当HFL表面有积雪时,内部的加热器会融化表面积雪。

禾赛科技推出的PandarGT 3.0实物图

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Flash的方案也存在自己的问题,那就是激光功率。要想达到较好的探测效果,需要大功率的激光发射器,这会带来发热的问题与成本问题。而如果采用较小功率的激光发射器,则会在检测效果上打折扣。这次大陆并没有透露产品的具体功率参数。另外,也因为功率大,为满足安全需求,大陆使用的是1064nm的光源,使用的是InGaAs/CMOS的混合传感器,同样会增加成本。

丰田旗下一个实验室Toyota Central RD Labs发布过MEMS微振镜 +
SPAD阵列实现了20米测量距离的激光雷达系统)。

光珀 GP001 平台

另外还有检测范围的问题,距离越远,检测的范围就越小,大陆介绍,200米检测距离是水平检测范围仅为5度。

丰田Central RD Labs采用SPAD面阵接收方式实现MEMS激光雷达

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2.光珀

总之,自动驾驶的赛道已经开放,各种激光雷达技术路线都在这条赛道上竞相追逐。虽然MEMS激光雷达的实力让我们看好,但是面对严苛的汽车芯片“零缺陷”要求,MEMS微振镜能否顺利通过考核?固态激光雷达剧情是否会出现转折点?有待时间见证!在此之前,我们有必要对各种激光雷达技术路线进行全面的学习和理解。或许您能做出正确的抉择,把握自动驾驶机遇!

光珀 GP002 平台

光珀是一家中国的激光雷达厂商,在2016年发布了固态激光雷达产品,今年的CES上第一次展出了应用在自动驾驶领域的固态激光雷达。

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从技术方案来看,光珀采用的也是Flash,不过与大陆的有所不同。

光珀 GP003 平台

前面提到,Flash面临的最大问题在于激光功率,光珀的核心技术就在于激光接收芯片上。根据光珀CMO陈嵩的介绍,为了避免使用大功率的激光发射器,他们会将小功率的激光脉冲波序列在回收后合成为一个激光波来规避大功率的问题。在这样的前提下,可以无需使用大功率激光发射器,进而可以采用常规的905nm波长激光光源,使用硅基传感器,降低产品成本。

同时,基于这三个平台,研发了 4
款可应用于安防、仓储机器人、低速和高速无人车的产品,分别为基于 GP001A
平台的 Smart-SDC1 和 Wide-WAA1,基于 GP002A 平台的 Power-PBA2,以及基于
GP003 平台的 Ultra-UBA2。

目前,关于脉冲波序列合成技术,光珀已经申请专利,光珀对未来的定义可以不止是激光雷达制造商,而是类似于LeddarTech,也成为激光雷达的芯片供应商,为制造商提供接收芯片。而且,这个技术不仅可以应用在Flash方案中,也可以通过成像的方式来为扫描式固态激光雷达在接收端进行优化。

也就是说,光珀的产品已经在安防、仓储等领域有了应用案例,亟待开发的就是无人车市场,相应的产品为
Ultra-UBA2。

不过,在此之前,光珀依然需要解决的问题一个是集成化,目前现场展示的唯一一个应用在自动驾驶领域的激光雷达块头很大,陈嵩提到目前是第二代产品,在第三代产品中会在集成化上进行优化。其次,据陈嵩介绍,目前产品的探测距离是50米,检测范围是70°x40°。因而,同样需要解决探测距离与角度问题,否则只能工作在特定场景下,比如中低速。

Ultra-UBA2 的探测距离约为 60 米,探测视角为 70°H/40°V。GP003
平台的最远探测距离为 150 米(探测视角为 24°H/6°V),同样基于 GP003
平台,还可以打造不同探测距离、不同探测视角的固态激光雷达,多个不同性能的激光雷达搭配使用,可以实现
360 度、不同距离的感知。

3.Quanergy

“为量产车用激光雷达提供「面阵传感器」”

作为目前市面上唯一一家采用OPA方案的激光雷达制造商,Quanergy的OPA产品其实一直有些「神秘」。

产品暂且说到这里,再来看看光珀是如何发挥自己独特的技术优势,来解决 3D
Flash 由于发射单个大脉冲而带来的天然劣势。

图片 17Quanergy展台的三款激光雷达

光珀的核心技术是这样的:用一个脉冲序列,代替一个单脉冲,降低每一个脉冲的峰值。基于这样的核心原理,开发了光珀的核心技术。目前光珀使用的是一个组合脉冲序列,也就意味着每个脉冲的峰值被大幅压缩。压缩峰值后,使得光珀可以使用半导体激光器作为光源,同时符合人眼安全,更不需要去使用像
1550nm 那样的特殊波长,因此,光珀的传感器可以用硅来设计。

上图中,S3是采用OPA方案的产品,M8则是机械激光雷达,S3-1与S3-2为Quanergy开发的针对其他行业的激光雷达产品,分别实现单向和双向扫描。

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之所以说S3神秘,是因为除了这次CES上与Fisker合作的车上之外,车云菌在Quanergy位于加州森尼韦尔的新工厂都并没有看到搭载S3的测试车,而是只有一辆搭载M8的产品。搭载了S3样品的展车唯有在2016年用来展出的奔驰,不过S3被安装在了看不到的位置。S3神秘的另外之处在于,其点云数据极少对外公布。在这次CES现场,采用的也是图形模拟的方式来展示探测效果,并没有公开展示点云效果。

这就很容易理解,为什么光珀的激光雷达方案成本非常低:

图片 19Quanergy CEO
Louay Eldada与搭载S3的Fisker车型,左下角屏幕上显示激光雷达探测结果

1.光源使用的是半导体激光器,而不是所谓的固体激光器(半导体激光器是半导体元器件,成本和产量完全成线性关系,符合摩尔定律);

根据Quanergy CEO Louay
Eldada的介绍,S3是第一代OPA产品,使用的一维相控阵列,也就是每个发射芯片上,激光只能在单维度被改变发射方向并进行合成。S3中同时安装了8块芯片,类似于8线的机械激光雷达。而在下一代产品中,会采用二维相控阵,并且最终的产品会集成到SoC上来实现。不过Louay表示,未来这两代产品并非是替代的关系,而是会共存,分别针对不同的应用场景。比如这次与Fisker的合作,就是采用5个S3,来实现L4级自动驾驶。

2.硅基材料的传感器,工艺成熟,良品率高,且像素分辨率可以做的很高。

自2016年公布之后,这两年的时间里Quanergy一直在致力解决的就是S3的量产与车规化问题。目前Quanergy计划在今年开始进行S3的车规化测试,预计在2019年实现大规模量产。

目前,光珀正在做第二代传感器芯片,相对于第一代传感器而言,量子效率提高了
5 倍,芯片的尺寸由 1/3 英寸变为了 2/3 英寸,整个面积大了 4
倍,也就意味着效率提升了 20 倍,产品性能也将是第一代芯片的 20
倍。如果光珀目前产品的性能指标不做变化,产品的平均功率会是现在的
1/20;如果功率不变,那么探测距离会提升 4-5 倍。(即把 20 开根号)

OPA方案也是纯固态方案,不过目前大多是研究机构在进行研究,也依然存在一些问题,比如能够承受的激光功率小,功率大会过热,探测距离与效率也会受到功率影响;激光的范围扫描是通过合成光束来实现的,因而探测效果完全取决于光束的合成质量;另外,Quanergy解决的是激光发射端的问题,在接收端,与MEMS类似,也需要通过全局接收的方式来实现激光的接收,而全局接收的情况下,抗干扰能力则会下降。

打个比方,光珀远距离产品性能将会表现为:10-20 瓦功耗、70°H/40°V
探测视角、150 米探测距离、体积会类似一个饭盒大小等。

Louay表示,目前这些问题都在研发解决方案,OPA的方案优势在于成本与纯固态,所有的产品成本都将低于1000美金,如果量级增大,最终产品价格会在200-300美金之间。

这样的芯片的重要性,就好比 MEMS
激光雷达中的微振镜。光珀方面透露,他们的第二代传感器芯片将在 2018
年底完成量产。

4.Ibeo

“今年年底通过「车规级」”

Ibeo并没有直接参展今年的CES,而是将固态激光雷达产品放在了股东采埃孚的展台上进行展示,不过只是单纯的产品展示,并没有配合演示实际的效果。现场也并没有对这款激光雷达进行介绍,因而其采用的技术方案不得而知。仅仅能够从此前采埃孚与Ibeo共同公布的消息得知,其内部将取消动部件。目前这款产品处于A
Sample阶段,计划在2021年完成车规级量产。

其次是车规级问题。

图片 20Ibeo
3D固态激光雷达

光珀在产品研发之初,就是要做「车规级量产激光雷达」,所以早已投入了大量的精力来解决这方面问题,而这也是光珀的核心优势所在。

离量产还有多远?

光珀的核心器件非常简单,而车规的核心问题就是核心器件。如果将光珀的激光雷达拆开就会发现,其内部结构非常简单。主要由
3 部分组成:

总结一下的话,这三条技术路线在当下依然都是还没有准备好的:

1.光珀面阵传感器做的传感器板;

1.以MEMS为代表的混合固态方案,依然存在动部件,难以满足车规要求,全局接收时需要考虑抗干扰问题

2.Flash方案,探测距离与探测范围之间的平衡,激光发射功率与散热和成本之间的平衡

3.OPA,能承受的激光功率小,生产制造难度大以及合成光束质量问题

2.激光光源板;

如果从现场展示来看,其实这些问题此前就存在,而参展的众多公司大部分都没有展出更具有说服力的内容,或者进行实地测试。虽然热闹,但热闹得很表面。

3.时间控制器。

当然,如果从当前自动驾驶的应用来看,目前也依然还没有真正的L3级自动驾驶车问世,从L3到L4再到L5的跨越,也并非仅仅在感知层面存在问题。无论是从测试还是新技术研发角度来看,这些暂时都还不「完美」的激光雷达依然有着用武之地:

光珀的第二代传感器芯片还会将 1 和 3
结合在一起,也就是说它不仅仅是一个传感器,还包含了时序控制。

  1. 一方面激光雷达并非是唯一的传感器,在激光雷达的应用场景中,摄像头与毫米波雷达即便作为冗余方案也依然会存在,因而在传感器融合的情况下,部分缺点可以被规避,尽快达到量产阶段也可以尽快投入使用便于后期的优化迭代;

  2. 另一方面,单从激光雷达的角度来说,未来可能车辆也不会只适用某个单一的激光雷达,如果能够根据不同技术方案激光雷达特性,彼此之间也可以达成互补效果。

图片 21

无论是哪种方式,都有同一个要求:传感器融合。多感知方案相结合可以扬长避短,如何从硬件、软件层面做好数据融合是需要攻克的目标,因此我们也能看到,越来越多的硬件供应商开始涉足算法领域。而这,是一个好现象。

目前光珀已经保证使用的每一个电子器件满足 AEC-Q100
的要求,同时光珀在「芯片层」做了大量的工作,比如已经加入了
FST(Functional Safety Test) 功能安全设计,整个激光雷达系统将达到 ASIL-B
的安全指标要求。当然,这个系统级别的安全指标需要通过认证,而光珀也计划在
2018 年年底开始这个认证。

图片 22

至于最关键的生产问题,光珀选择的是核心组件自己生产,其他部分选择外协代工。

在看过诸多激光雷达公司之后,我们认为:解决了激光雷达的核心零部件问题,才能真正做到易生产、低成本、低功耗以及车规级。

不解决微振镜或者芯片级的问题,依然相当于一个「组装厂」,「核心科技」才是车企或
Tier 1 所看重的。

回顾年初 CES
上激光雷达的发展,我们认为固态激光雷达才是量产无人车的未来,而传统机械式激光雷达适用于小规模车队测试。

在「固态」这条起跑线上,对比了所有公司之后,我们认为光珀的技术路线选择、产品进展以及团队背景已经占了优势,算「靠谱」的那类创业公司。

关乎无人车未来的核心组件被一家中国公司造出来,总归是件好事。

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