芯耀
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固態(tài)激光雷達(dá)是未來(lái)的發(fā)展方向，幾乎沒(méi)有異議，不過(guò)，什么才是全固態(tài)激光雷達(dá)，的確還得掂量掂量。另外，只有能夠量產(chǎn)的激光雷達(dá)才有話(huà)語(yǔ)權(quán)。我們來(lái)看看幾家技術(shù)路線(xiàn)有所不同的公司怎樣定義他們的產(chǎn)品。
1、全固態(tài)和半固態(tài)激光雷達(dá)
理論上講，完全沒(méi)有移動(dòng)部件的雷達(dá)才是固態(tài)激光雷達(dá)，光相控陣（OPA）及Flash是其典型技術(shù)路線(xiàn)，被認(rèn)為是全固態(tài)激光雷達(dá)方案的代表。不過(guò)，近年來(lái)一些沒(méi)有機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的激光雷達(dá)也被統(tǒng)稱(chēng)為“固態(tài)激光雷達(dá)”。其性能特點(diǎn)包括分高辨率、有限水平FOV（前向而不是360°）等，但這些技術(shù)方案還是有一些微小的移動(dòng)部件（MEMS微振鏡），所以從嚴(yán)格意義上講只能算“半固態(tài)”。
事實(shí)上，固態(tài)激光雷達(dá)也存在一些劣勢(shì)：
·不能360度旋轉(zhuǎn)，掃描角度有限，只能探測(cè)前方；全方位掃描要在不同方向布置多個(gè)激光雷達(dá)。
·除了光柵衍射中央明紋，還會(huì)形成其他明紋，使激光在最大功率方向以外形成旁瓣效應(yīng)，分散激光能量。
·光學(xué)相控陣要求陣列工作波長(zhǎng)在1微米左右，陣列單元尺寸必須不大于500納米，加工工藝難度很高。
·傳統(tǒng)機(jī)械式雷達(dá)接收窗口很小，固態(tài)激光雷達(dá)接收面大、信噪比差，增加了掃描解析難度。
目前，固態(tài)激光雷達(dá)可靠性強(qiáng)、成本低及測(cè)距遠(yuǎn)的特性是傳統(tǒng)產(chǎn)品很難同時(shí)滿(mǎn)足的，所以才有那么多公司競(jìng)相研發(fā)。雖然，固態(tài)化、小型化、低成本是未來(lái)激光雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)，但目前機(jī)械式激光雷達(dá)仍占有大壁江山。
2、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)已到紅海邊
值得一提的是，創(chuàng)立于2009年的以色列公司Oryx Vision在2016年11月就推出低成本新型相干光激光雷達(dá)系統(tǒng)，以滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛應(yīng)用；2017年又獲得5000萬(wàn)美元B輪融資。
盡管想打敗傳統(tǒng)激光雷達(dá)的戰(zhàn)爭(zhēng)拉開(kāi)帷幕不久，量產(chǎn)時(shí)間都還是“預(yù)計(jì)”，Oryx卻已無(wú)以為繼，不堪激光雷達(dá)市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)，在2019年8月宣布關(guān)停。其直接競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手正是以色列激光雷達(dá)初創(chuàng)公司Innoviz Technologies，同年6月，后者完成了1.7億美元的C輪融資。
Oryx的大多數(shù)員工都是物理學(xué)家、光學(xué)工程師及天線(xiàn)工程師，其使用的是“高大上”的長(zhǎng)波太赫茲紅外激光器，因?yàn)檫@種紅外光人眼不可見(jiàn)，功率更高，它還很難被水吸收，不會(huì)被云霧、強(qiáng)烈的陽(yáng)光直射所干擾。
3、Ouster：真正的數(shù)字化全固態(tài)
美國(guó)Ouster最近很風(fēng)光，5月中旬，國(guó)內(nèi)特殊區(qū)域無(wú)人駕駛方案及運(yùn)營(yíng)商踏歌智行無(wú)人礦卡搭載Ouster OS1激光雷達(dá)，是為Ouster的量產(chǎn)產(chǎn)品。其最新產(chǎn)品ES2固態(tài)激光雷達(dá)仍然沿用了OS1成功驗(yàn)證的獨(dú)有數(shù)字架構(gòu)，是市場(chǎng)上第一款全固態(tài)、高分辨率、長(zhǎng)距離數(shù)字激光雷達(dá)，探測(cè)距離超過(guò)200m。
首款全固態(tài)數(shù)字激光雷達(dá)
Ouster CEO兼聯(lián)合創(chuàng)始人Angus Pacala說(shuō)：“為什么說(shuō)數(shù)字激光雷達(dá)是未來(lái)？在2015年成立時(shí)，我們就是要設(shè)計(jì)市場(chǎng)需要的高性能、可靠且價(jià)格可接受的傳感器。激光雷達(dá)的長(zhǎng)期贏(yíng)家需要做的不僅是滿(mǎn)足客戶(hù)當(dāng)前的需求，還要滿(mǎn)足他們未來(lái)的需求，需要不斷穩(wěn)步提高性能，降低成本，跟上客戶(hù)的步伐。這也是我們研發(fā)數(shù)字激光雷達(dá)技術(shù)的初衷。”
高分辨率實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的物體識(shí)別
激光雷達(dá)行業(yè)是一個(gè)日趨成熟且不斷變化的行業(yè)，市場(chǎng)對(duì)其性能和成本的要求在不斷提高。Ouster自研的CMOS芯片可確保數(shù)字激光雷達(dá)的性能能夠在未來(lái)很多年內(nèi)穩(wěn)定持續(xù)提升。ES2通過(guò)“電子掃描”方式依次從集成在單芯片上的一萬(wàn)多個(gè)激光器進(jìn)行發(fā)射。這些激光器與一個(gè)定制的數(shù)字探測(cè)器陣列相匹配，每秒能夠計(jì)數(shù)萬(wàn)億個(gè)單獨(dú)光子。因此ES2不需要任何移動(dòng)部件就可以實(shí)現(xiàn)客戶(hù)對(duì)測(cè)距、視場(chǎng)角和分辨率的要求。ES2所使用的激光器和探測(cè)器陣列的核心技術(shù)與OS系列旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)相同，也與iPhone和iPad Pro等消費(fèi)類(lèi)設(shè)備一致。
看看ES2的一些特性：
·極簡(jiǎn)的架構(gòu)：不同于傳統(tǒng)激光雷達(dá)內(nèi)部有數(shù)千個(gè)零部件，專(zhuān)為長(zhǎng)距、中距、短距應(yīng)用設(shè)計(jì)的Ouster數(shù)字激光雷達(dá)內(nèi)部只有一塊VCSEL（垂直腔面發(fā)射）激光器芯片和一塊基于CMOS工藝的SPAD傳感器芯片，大大降低了價(jià)格，提高了性能和可靠性。
兩塊芯片+兩片透鏡取代零移動(dòng)部件的透鏡模組
·專(zhuān)為量產(chǎn)設(shè)計(jì)：ES2與OS系列激光雷達(dá)共享86%的零部件，極大地降低了技術(shù)和生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，有助于實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。
·滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛系統(tǒng)要求：200m+（10%反射率）探測(cè)距離，工作壽命100,000小時(shí)，有助于實(shí)現(xiàn)高速高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），易于集成。
·固件更新：Ouster任何型號(hào)的激光雷達(dá)均可更新固件。
固件更新
·車(chē)規(guī)級(jí)別：從一開(kāi)始ES2就是為滿(mǎn)足甚至超過(guò)車(chē)規(guī)要求的性能、可靠性和使用壽命而設(shè)計(jì)的。ES2比目前市場(chǎng)上很多“半固態(tài)”激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、更可靠。
·最嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：ES2通過(guò)了網(wǎng)絡(luò)安全、沖擊及振動(dòng)、熱循環(huán)、防護(hù)等級(jí)等測(cè)試認(rèn)證，其中包括ISO 26262（ASIL-B）、SIL-2和ASPICE。
·量產(chǎn)一致性：ES2和OS系列所使用的數(shù)字部件均來(lái)自消費(fèi)電子設(shè)備供應(yīng)鏈，兩類(lèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)線(xiàn)具有一致性，這也是Ouster的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)之一。OS系列旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)的制造、校準(zhǔn)和驗(yàn)證均已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；\(yùn)行，ES2固態(tài)激光雷達(dá)將直接在Ouster海外制造工廠(chǎng)中一條已經(jīng)運(yùn)行的大批量生產(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)。
Yole光子與傳感團(tuán)隊(duì)成員Pierrick Boulay評(píng)價(jià)道：“與很多其他市場(chǎng)類(lèi)似，激光雷達(dá)市場(chǎng)的技術(shù)路線(xiàn)正在逐漸向數(shù)字化發(fā)展，雖然過(guò)渡的過(guò)程會(huì)花一點(diǎn)時(shí)間，但是結(jié)果通常都是一樣的：傳統(tǒng)產(chǎn)品創(chuàng)造了市場(chǎng)，數(shù)字化產(chǎn)品最終將主導(dǎo)市場(chǎng)。”
據(jù)介紹，ES2首批樣品將于2022年交付，面向車(chē)規(guī)量產(chǎn)項(xiàng)目的初始價(jià)格將為600美元，計(jì)劃于2024年實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，最終有望降至100美元。
Ouster已累計(jì)融資超過(guò)1.4億美元，截止目前已經(jīng)贏(yíng)得全球800多個(gè)客戶(hù)。
4、Innoviz：升性能降成本
Innoviz成立于2016年，以研發(fā)低成本小型激光雷達(dá)系統(tǒng)，幫助實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車(chē)大規(guī)模商業(yè)化為己任。目前，除激光器外，Innoviz已經(jīng)掌握了包括芯片在內(nèi)所有關(guān)鍵技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，前不久與寶馬等多家主機(jī)廠(chǎng)及三星網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)等建立了合作關(guān)系，已籌集超過(guò)2.75億美元資金。
Innoviz的技術(shù)路線(xiàn)是上面提到的MEMS固態(tài)激光雷達(dá)。去年10月推出的新一代激光雷達(dá)傳感器InnovizTwo以比上一代InnovizOne低70%的成本提供了顯著性能改進(jìn)，其提供樣品時(shí)間是2021年第三季度。InnovizOne將于2021年在寶馬量產(chǎn)車(chē)型首次批量應(yīng)用。
InnovizTwo MEMS固態(tài)激光雷達(dá)
Innoviz CEO兼聯(lián)合創(chuàng)始人Omer Keilaf表示：“針對(duì)配有L3級(jí)自動(dòng)駕駛的高端車(chē)型，主機(jī)廠(chǎng)通常愿意為激光雷達(dá)支付高達(dá)1000美元。而對(duì)于L2級(jí)車(chē)型，他們只愿意支付400到500美元。”
這些成本不僅包括物理硬件，還包括相關(guān)支持軟件，以及開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證相關(guān)的成本。除此之外，大型主機(jī)廠(chǎng)不會(huì)直接從Innoviz這樣的初創(chuàng)公司那里采購(gòu)如此重要的零部件。因此，主機(jī)廠(chǎng)都是與他們信任的Tier 1供應(yīng)商合作進(jìn)行制造和集成。所以，InnovizOne由麥格納（Magna）生產(chǎn)，再與寶馬所使用的L3系統(tǒng)的其他組件組合，例如基于Mobile EyeQ5的視覺(jué)系統(tǒng)和安波福的雷達(dá)和計(jì)算平臺(tái)。
InnovizTwo的特性包括：
·可配置感興趣區(qū)域（ROI）：四個(gè)單獨(dú)控制的感興趣區(qū)域（每個(gè)激光器上一個(gè)），用于在有限視野中進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚焦，允許在不影響帶寬、分辨率或幀速率的情況下增強(qiáng)可見(jiàn)性和射程。
·多反射：可返回每個(gè)像素的多次反射，并在3D環(huán)境中記錄和存儲(chǔ)多個(gè)點(diǎn)。當(dāng)激光脈沖擊中雨滴、雪花或路徑上的多個(gè)物體時(shí)，這一點(diǎn)非常重要。
·無(wú)間隙像素：由于像素相鄰，在掃描模式上沒(méi)有間隙，這對(duì)于構(gòu)建安全的自動(dòng)駕駛車(chē)輛感知系統(tǒng)至關(guān)重要。否則，系統(tǒng)可能會(huì)錯(cuò)過(guò)與碰撞相關(guān)的路面上小物體或位于點(diǎn)云數(shù)據(jù)間隙內(nèi)的人，而造成毀滅性的后果。
無(wú)間隙像素點(diǎn)云
·均勻分布vFOV（垂直視野）：在整個(gè)垂直視場(chǎng)上提供統(tǒng)一的分辨率。這使得系統(tǒng)能夠獲得比其他傳感器更多的數(shù)據(jù)，而非只聚焦在中心（地平線(xiàn)）上，而在向邊緣移動(dòng)時(shí)丟失數(shù)據(jù)。其垂直視野還有平移功能，支持安裝公差以及車(chē)輛不同裝載等駕駛條件。
·陽(yáng)光和天氣條件適用性：對(duì)環(huán)境光源（如陽(yáng)光直射和迎面而來(lái)的汽車(chē)發(fā)出的眩目光）以及惡劣天氣條件（如下雨）具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。
5、Luminar：跨越激光雷達(dá)常見(jiàn)陷阱
5月上旬，小馬智行與激光雷達(dá)生產(chǎn)商Luminar聯(lián)合發(fā)布了一體式自動(dòng)駕駛傳感系統(tǒng)，搭載了Luminar Iris系列激光雷達(dá)。像小馬智行這種移動(dòng)出行公司本該使用傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)，現(xiàn)在也選擇了可無(wú)縫對(duì)接、一體化安裝在車(chē)頂上的產(chǎn)品，來(lái)實(shí)現(xiàn)360度全方位的多傳感器融合方案。小馬智行計(jì)劃到2023年完成上述車(chē)規(guī)級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)量產(chǎn)。
Luminar Iris激光雷達(dá)
美國(guó)初創(chuàng)公司Luminar成立于2012年，其產(chǎn)品總監(jiān)Matt Weed博士表示，在上千種建立激光雷達(dá)傳感器的獨(dú)特方法中，有數(shù)百種是完全合理的，這也是許多剛起步的激光雷達(dá)公司聲稱(chēng)自己獨(dú)一無(wú)二的原因，但最終卻在從研發(fā)轉(zhuǎn)向汽車(chē)系列化生產(chǎn)的過(guò)程中舉步維艱。汽車(chē)工業(yè)有嚴(yán)格的性能要求，需要確保安全性和可靠性，還有規(guī)模經(jīng)濟(jì)性要求。
在分析了單光子探測(cè)、調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）、閃光、掃描鏡、MEMS、硅光子等測(cè)距方法后，Luminar選擇了線(xiàn)性飛行時(shí)間（ToF）激光雷達(dá)技術(shù)路線(xiàn)，沒(méi)有使用現(xiàn)成的組件，而是從芯片級(jí)開(kāi)始構(gòu)建獨(dú)特的架構(gòu)，跨越了其他許多激光雷達(dá)所面臨的常見(jiàn)陷阱。目前，其處理硬件ASIC已升級(jí)到第四代。
看出點(diǎn)門(mén)道沒(méi)有？
很多關(guān)注激光雷達(dá)的人都在問(wèn)：Luminar到底是什么技術(shù)？是不是MEMS？看看上面的圖就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它使用的掃描方法是“120°×30°FOV的2軸掃描鏡，僅掃描激光而非轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)激光雷達(dá)”，這表明，Luminar的激光雷達(dá)不是全固態(tài)產(chǎn)品。
Luminar Iris激光雷達(dá)指標(biāo)
Luminar的技術(shù)有三大創(chuàng)新，包括激光波長(zhǎng)、接收器技術(shù)，以及上面提到的軟硬件一體，形成了增強(qiáng)技術(shù)的護(hù)城河。
·激光波長(zhǎng)：采用光纖放大方式實(shí)現(xiàn)對(duì)人眼無(wú)害的1550納米大功率激光，功率是傳統(tǒng)硅光電系統(tǒng)的40倍，不僅提高了信噪比，還增加了探測(cè)距離和點(diǎn)云分辨率。而Velodyne等其他廠(chǎng)商都是905納米激光，對(duì)人眼有害，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大功率。器件方面，利用銦鎵砷（InGaAs）激光接收器將固態(tài)激光雷達(dá)的成本降到500-1000美元可銷(xiāo)售范圍。L2用500美元的，L4用1000美元的。1550納米是全天候的，雨雪霧天都基本沒(méi)有影響。
Luminar激光雷達(dá)點(diǎn)云
·測(cè)距法：Luminar的所謂線(xiàn)性飛行時(shí)間是為點(diǎn)云中的每個(gè)像素發(fā)送一個(gè)短脈沖，測(cè)量速度非?？?，可以立即獲得反射率，且沒(méi)有速度相關(guān)的范圍誤差。其他技術(shù)聲稱(chēng)比ToF好，但在最高水平時(shí)，它們發(fā)出的光較少，必須收集相同數(shù)量的信號(hào)，這意味著每次測(cè)量所需的時(shí)間明顯較長(zhǎng)。
Luminar的飛行時(shí)間
·軟件：通過(guò)分析常見(jiàn)架構(gòu)的缺陷，Luminar構(gòu)建了一條不會(huì)造成性能折衷的路徑，以滿(mǎn)足業(yè)界嚴(yán)格的性能和經(jīng)濟(jì)要求。為客戶(hù)提供激光雷達(dá)硬件和相關(guān)軟件，既保證不妨礙實(shí)現(xiàn)強(qiáng)健的安全性，又有助于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的成本目標(biāo)。
Hydra是一套完整的工具集，Luminar用它測(cè)試和開(kāi)發(fā)多種應(yīng)用，用來(lái)加速各種車(chē)型的實(shí)施，以實(shí)現(xiàn)系列化生產(chǎn)。它可以配置一個(gè)或多個(gè)激光雷達(dá)傳感器，實(shí)現(xiàn)從高速公路到城市道路的自動(dòng)駕駛。其激光雷達(dá)前后最大范圍為500米，反射率大于10%條件下射程250米?？ㄜ?chē)運(yùn)輸使用三個(gè)傳感器（360°FOV（視場(chǎng)角）），乘用車(chē)使用單傳感器（120°FOV）。
卡車(chē)和乘用車(chē)傳感器配置
3月，Luminar與上汽集團(tuán)達(dá)成戰(zhàn)略合作，將為后者2022年開(kāi)始量產(chǎn)的R品牌純電動(dòng)車(chē)提供激光雷達(dá)傳感器及相應(yīng)軟件系統(tǒng)。R品牌采用的R-TECH技術(shù)包含智能駕駛、智能座艙、三電科技等前沿技術(shù)，特別是全棧自研的高階智駕方案PP-CEM，構(gòu)建了全天候、超視距、多維度的“六重融合式感知體系”，其中包括激光雷達(dá)、4D成像雷達(dá)、視覺(jué)感知攝像頭、超聲波雷達(dá)、高精地圖、5G-V2X，從而實(shí)現(xiàn)R PILOT 3.0級(jí)別自動(dòng)駕駛。其激光雷達(dá)正是Luminar的產(chǎn)品。
不過(guò)，有一點(diǎn)不能忽略，那就是“風(fēng)險(xiǎn)提示”：Luminar是目前市值最高的激光雷達(dá)公司，巔峰期大約120億美元，目前市值在90億美元左右，是老牌激光雷達(dá)廠(chǎng)家Velodyne的4倍左右。
與特斯拉如出一轍，Luminar追求最高性能和最短出貨時(shí)間。從其2020年9月專(zhuān)利中可以看到，雙電機(jī)、皮帶驅(qū)動(dòng)的掃描鏡是一種近乎瘋狂的設(shè)計(jì)，有悖于小型化固態(tài)激光雷達(dá)設(shè)計(jì)理念。所以，Luminar能否像簽署幾份戰(zhàn)略合作那樣輕松成功，還要看資本的態(tài)度。
Luminar激光雷達(dá)專(zhuān)利圖
6、國(guó)內(nèi)企業(yè)還有差距
實(shí)現(xiàn)固態(tài)/半固態(tài)激光雷達(dá)，降低成本，也許國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商的能力不在話(huà)下，但深究起來(lái)，在芯片自研以及軟件建模和自動(dòng)駕駛識(shí)別決策等方面，國(guó)產(chǎn)激光雷達(dá)企業(yè)還要發(fā)力追趕，特別是系統(tǒng)級(jí)軟件層面，因?yàn)檫@才是一些國(guó)外公司的核心競(jìng)爭(zhēng)力所在。
