最高百億市值！五大LiDAR公司齊聚美股，車(chē)載激光雷達(dá)將走向何方？

本文來(lái)自 微信公眾號(hào)“ 汽車(chē)之心”，作者：周彥武。

2020 年對(duì)激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，是劃時(shí)代的一年。

Velodyne(VLDR.US)、Luminar(LAZR.US) 兩家先后登陸美股，Innoviz、Aeva 和 Ouster 三家正在路上。

這五大激光雷達(dá)公司，目前最高的 Luminar 市值超百億美元，最低 Innoviz 估值也達(dá)到 14 億美元。

這些公司在資本市場(chǎng)受到熱捧背后，是各大車(chē)企紛紛選在量產(chǎn)車(chē)上搭載激光雷達(dá)。

本田(HMC.US)和豐田(TM.US)已確定在其L3級(jí)自動(dòng)駕駛車(chē)型上使用激光雷達(dá);奔馳、沃爾沃、寶馬、蔚來(lái)(NIO.US)和小鵬(XPEV.US)等廠(chǎng)家也準(zhǔn)備在2021年的量產(chǎn)車(chē)上選用激光雷。

可以說(shuō)，激光雷達(dá)的黃金時(shí)代正在到來(lái)。

本文將對(duì)五大激光雷達(dá)的技術(shù)路線(xiàn)進(jìn)行分析，帶大家一起看看炙手可熱的 LiDAR 炸子雞們走向何方。

本文內(nèi)容將包括：

Velodyne 核心技術(shù)解析：MLA

Luminar：最高功率帶來(lái)最高性能

Innoviz：MEMS 帶來(lái)最低成本

Aeva：堅(jiān)持 FMCW

Ouster：近似于 Flash 的技術(shù)路線(xiàn)

激光雷達(dá)基本構(gòu)成

值得注意的是，Velodyne、Luminar、Innoviz、Aeva 和 Ouster ，這 5 家公司在針對(duì)前裝車(chē)載市場(chǎng)的主力產(chǎn)品上，都放棄了傳統(tǒng)的軸承電機(jī)機(jī)械旋轉(zhuǎn)方案。

這與國(guó)內(nèi)目前華為、速騰、禾賽、鐳神、一徑等幾家的主力產(chǎn)品有所不同。

在分析各個(gè)企業(yè)前，我們先對(duì)激光雷達(dá)性能評(píng)價(jià)的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

激光雷達(dá)按照測(cè)距原理分為脈沖 ToF 型和連續(xù)波型。

我們常見(jiàn)的產(chǎn)品多為脈沖 ToF 型，在硬件上由四部分構(gòu)成，分別是：激光發(fā)射、掃描器、反射光接收、數(shù)據(jù)處理。

連續(xù)波型的激光雷達(dá)又分相位調(diào)變和頻率調(diào)變兩種，其中頻率調(diào)變即 FMCW 比較常見(jiàn)。

再具體到激光發(fā)射部分，我們通常分三大類(lèi)：

EEL 型激光二極管，通常有 905 納米和 1550 納米兩種，材料則包括硅、GaAs (砷化鎵)、InP(磷化銦)三種。

VCSEL，垂直腔面發(fā)射型，通常以陣列形式出現(xiàn)。

光纖激光管。

接收部分通常分為四大類(lèi)：

PIN 二極管，沒(méi)有任何增益。

APD，雪崩二極管，有一定程度增益。

SPAD，即單光子陣列，超高增益。

MPPC 或 SiPM，近似于 SPAD。

激光雷達(dá)作為一種傳感器，其最核心的指標(biāo)是信噪比。不過(guò)這也是激光雷達(dá)企業(yè)從不公開(kāi)的指標(biāo)。

五大激光雷達(dá)公司技術(shù)分析

(1) Velodyne的核心技術(shù)：MLA

Velodyne 是車(chē)載激光雷達(dá)領(lǐng)域的鼻祖。

Velodyne 從 2015 年開(kāi)始研發(fā)固態(tài)激光雷達(dá)，2017 年發(fā)布 Velarray，2020 初基本完成設(shè)計(jì)。

同年被現(xiàn)代汽車(chē) Design-in，據(jù)說(shuō)目前廣汽也在測(cè)試 Velarray。

Velodyne 在激光雷達(dá)領(lǐng)域耕耘時(shí)間最長(zhǎng)，也累積了很多機(jī)械激光雷達(dá)的研發(fā)成果。

此前，Velodyne 稱(chēng) Velarray 上的核心技術(shù)并不是 MEMS。

在 Velarray 上，Velodyne 史昂將機(jī)械激光雷達(dá)縮微，縮微后就可以采取共振掃描的方式，仍然采用多個(gè)激光發(fā)射器，因此確實(shí)不是 MEMS。

傳統(tǒng)機(jī)械激光雷達(dá)有三種掃描方式：

第一種為棱鏡，缺點(diǎn)是會(huì)引入不必要的尺寸增加，存在軸承或襯套的磨損，隨時(shí)間推移影響壽命;優(yōu)點(diǎn)是線(xiàn)數(shù)可以做到很高。典型代表是華為。

第二種為旋轉(zhuǎn)鏡，缺點(diǎn)是無(wú)法充分利用時(shí)域，有一定的體積浪費(fèi)，線(xiàn)數(shù)低，難以做到高性能;優(yōu)點(diǎn)是，壽命長(zhǎng)，可靠度高。典型代表是法雷奧 Scala。

第三種為 MEMS 振鏡，缺點(diǎn)是 FOV 受限制、可靠度存疑、信噪比低、有效距離短。優(yōu)點(diǎn)是成本低。

Velodyne 開(kāi)發(fā)了Resonant Mirror(共振鏡)技術(shù)。

這項(xiàng)技術(shù)與 MEMS 振鏡一字之差，實(shí)際差異不小。

共振掃描沒(méi)有上述三種掃瞄鏡的缺點(diǎn)，但需要將激光雷達(dá)縮微，且需要配合凹面鏡成圓弧狀，再有就是成本會(huì)增加不少。

Velodyne 申請(qǐng)了 Resonant Mirror(共振鏡)的專(zhuān)利。專(zhuān)利如上圖，其中的 163 和 164 是核心。

在光通訊領(lǐng)域，光學(xué)共振是基本元素，光學(xué)共振腔是激光放大器組成的三元素之一，可以依照反射面的存在與否分為開(kāi)腔與閉腔兩種。

共振腔的作用主要是用來(lái)讓增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了布居數(shù)反轉(zhuǎn)后，可以做為光放大器(Gain amplifier)，透過(guò)共振腔可收集放大后之訊號(hào)，形成一震蕩器(oscillator)。

激光共振腔的種類(lèi)主要分為三大類(lèi)：

第一種為平行平面腔。

由兩個(gè)平行平面反射鏡組成，光學(xué)上稱(chēng)為法布里-博羅光共振腔(Fabry–Perot resonator)，簡(jiǎn)稱(chēng)為 F-P 腔，多用于固態(tài)激光系統(tǒng)。

第二種為雙凹腔。

由兩個(gè)凹面反射鏡組成，其中一種個(gè)特殊而常用的形式是共焦腔(confocal)，由兩個(gè)曲率半徑相同的凹面反射鏡組成，且兩鏡間距離等于曲率半徑，兩鏡面與焦點(diǎn)重合，共焦腔衍射損耗小，調(diào)整容易。

第三種為平凹腔。

由一個(gè)平面反射鏡和一個(gè)凹面反射鏡組成，其中一種特殊而常用的形式是半共焦腔，相當(dāng)于共焦腔的一半。

從 Velodyne 的專(zhuān)利看，MLA 陣列有輕微的弧度，應(yīng)該是配合凹面反射鏡的。

Velodyne 新上任的 CTO Mathew Rekow 源自光通訊領(lǐng)域，對(duì)共振腔非常熟悉。

Velarray 的主要研發(fā)工作就是由 Mathew Rekow 負(fù)責(zé)。

他的一項(xiàng)工作就是將激光雷達(dá)縮微并模塊化，以此提高 Velarray 的量產(chǎn)效率，降低成本。

而這項(xiàng)工作的難點(diǎn)，在于縮微模塊的同時(shí)還要保證高性能，特別是激光二極管發(fā)射需要比較大的電流，傳統(tǒng)功率器件達(dá)不到要求。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，Velodyne 在 2016 年與 EPC 公司開(kāi)始合作。

EPC 擅長(zhǎng) GaN 功率器件技術(shù)，GaN 是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，用這種材料制造的場(chǎng)效應(yīng)晶體管比傳統(tǒng)晶體管開(kāi)關(guān)速度提高 10 倍以上。

Velarray 就使用了 GaN 場(chǎng)效應(yīng)管，也就是 Velodyne 所說(shuō)的定制 ASIC。

它體積極小，僅有 2 到 4 平方毫米。在體積縮小的同時(shí)，其性能也有所提升。

激光雷達(dá)里有個(gè)簡(jiǎn)單的公式，激光雷達(dá)的 Z 軸分辨率取決于脈沖寬度。

使用了 GaN 場(chǎng)效應(yīng)管 ASIC 的 Velarray 脈沖寬度可達(dá) 5 納秒，這是除 SPAD 外最高的性能 ASIC 芯片。

大部分固態(tài)激光雷達(dá)一般是 50-150 納秒，SPAD 可以輕易做到1納秒甚至幾十皮秒。

目前 Velarray 主要產(chǎn)品是 8 通道模塊，高性能產(chǎn)品可以用 4 到 16 個(gè)模塊，低性能只需要 1 個(gè)模塊。

(2) Luminar：最高功率帶來(lái)最高性能

要提高激光雷達(dá)性能最簡(jiǎn)單有效的辦法，就是提高激光發(fā)射功率。

提升功率的同時(shí)，要考慮產(chǎn)品的人眼安全。

905 納米的硅光電探測(cè)器，1550 納米的 InGaAs 要安全 10 萬(wàn)倍，可以放心地加大激光器的功率。

Luminar 就是以使用 1550 納米的 InGaAs 為特色。

其使用的激光器功率是傳統(tǒng)硅光電系統(tǒng)的 40 倍，不僅信噪比高，減小脈沖寬度至 20 納秒以下，脈沖重復(fù)頻率低于 100MHz，占空比低于 1%;同時(shí)這也提升了有效距離。

在雨雪霧天，物體的反射率會(huì)降低，這導(dǎo)致激光雷達(dá)的有效探測(cè)距離縮短，不過(guò)加大功率，就可以解決這個(gè)問(wèn)題。 Luminar 就是這么做的。

Luminar 強(qiáng)調(diào)：即使 10% 反射率的物體，其產(chǎn)品的有效探測(cè)距離也可以做到 200 米。

Luminar 還申請(qǐng)了關(guān)于激光功率放大的專(zhuān)利。

其專(zhuān)利是用二級(jí)大模場(chǎng)摻鉺光纖(EDFA)放大器將一個(gè)種子源激光調(diào)制為一個(gè)脈沖寬度至 20 納秒以下，脈沖重復(fù)頻率低于 100MHz，占空比低于 1% 的脈沖激光系統(tǒng)。

Luminar 的專(zhuān)利核心一個(gè)種子源激光，另一個(gè)是摻餌光纖放大器。

上圖為 Luminar 的種子源激光器內(nèi)部構(gòu)成

上圖為 Luminar 的放大器內(nèi)部構(gòu)成

在掃描器方面，Luminar 沒(méi)有太多創(chuàng)新，還是沿用了傳統(tǒng)的 MEMS 雙軸振鏡掃描。

一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng) MEMS 激光雷達(dá)信噪比都低，但 Luminar 的功率密度驚人，完全消除了這個(gè)缺點(diǎn)。

由于引入了光纖激光器，Luminar 激光雷達(dá)的體積略大。

另外，1550 納米 InGaAs 激光器的使用也讓其產(chǎn)品成本居高不下。

雖然 Luminar 一再?gòu)?qiáng)調(diào)自己有能力降低成本，但光纖激光器已經(jīng)用了超過(guò) 20 年，早已沒(méi)有性能挖掘潛力了。

因而行業(yè)對(duì) Luminar 的成本控制能力，一直存疑。

(3) Innoviz：MEMS 路線(xiàn)帶來(lái)最低成本

MEMS 是目前最快落地的方案。

和機(jī)械激光雷達(dá)相比，其優(yōu)勢(shì)有三：

首先，MEMS 微振鏡幫助激光雷達(dá)擺脫了笨重的馬達(dá)、多棱鏡等機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置，毫米級(jí)尺寸的微振鏡大大減少了激光雷達(dá)的尺寸，提高了可靠性。

英飛凌收購(gòu)的 Innoluce MEMS 激光雷達(dá)示意圖

其次是成本，MEMS 微振鏡的引入可以減少激光器和探測(cè)器數(shù)量，極大地降低成本。

傳統(tǒng)的機(jī)械式激光雷達(dá)要實(shí)現(xiàn)多少線(xiàn)束，就需要對(duì)應(yīng)的發(fā)射模塊與接收模塊數(shù)量。

而采用二維 MEMS 微振鏡，僅需要一束激光光源，通過(guò)一面 MEMS 微振鏡來(lái)反射激光器的光束。

兩者采用微秒級(jí)的頻率協(xié)同工作，通過(guò)探測(cè)器接收后達(dá)到對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行 3D 掃描的目的。

與多組發(fā)射/接收芯片組的機(jī)械式激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)相比，MEMS 激光雷達(dá)對(duì)激光器和探測(cè)器的數(shù)量需求明顯減少。

從成本角度分析，N 線(xiàn)機(jī)械式激光雷達(dá)需要 N 組 IC 芯片組：跨阻放大器(TIA)、低噪聲放大器(LNA)、比較器(Comparator)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等。

如果采用進(jìn)口的激光器(典型的如 Excelitas 的 LD)和探測(cè)器(典型的如濱松的 PD)，1K 數(shù)量下每線(xiàn)激光雷達(dá)的成本大約 200 美元，國(guó)產(chǎn)如常用的長(zhǎng)春光機(jī)所激光器價(jià)格能低一些。

MEMS 理論上可以做到其 1/16 的成本。

最后是分辨率，MEMS 振鏡可以精確控制偏轉(zhuǎn)角度，而不像機(jī)械激光雷達(dá)那樣只能調(diào)整馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

例如：Velarray 每秒單次回波點(diǎn)達(dá) 200 萬(wàn)個(gè)。

而 Velodyne 的 128 線(xiàn)激光雷達(dá)也不過(guò) 240 萬(wàn)個(gè)，Velarray 幾乎相當(dāng)于 106 線(xiàn)機(jī)械激光雷達(dá)。

MEMS 的缺點(diǎn)是什么呢?

缺點(diǎn)就是信噪比低，和有效距離短，及 FOV 太窄。

因?yàn)?MEMS 只用一組發(fā)射激光和接收裝置，那么信號(hào)光功率必定遠(yuǎn)低于機(jī)械激光雷達(dá)。

同時(shí) MEMS 激光雷達(dá)接收端的收光孔徑非常小，遠(yuǎn)小于機(jī)械激光雷達(dá)，而光接收峰值功率與接收器孔徑面積成正比，這導(dǎo)致功率進(jìn)一步下降。

以上意味著信噪比降低，同時(shí)有效探測(cè)距離縮短。

掃描系統(tǒng)分辨率由鏡面尺寸與最大偏轉(zhuǎn)角度的乘積共同決定。

鏡面尺寸越大，偏轉(zhuǎn)角度就越小。

而鏡面尺寸越大，分辨率就越高。

最后MEMS振鏡的成本和尺寸也成正比。

目前MEMS振鏡最大尺寸是 Mirrorcle，可達(dá) 7.5mm，售價(jià)高達(dá) 1199 美元。

速騰投資希景科技開(kāi)發(fā)的 MEMS 微振鏡鏡面直徑為 5mm，已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段。

禾賽科技 PandarGT 3.0 中用到的 MEMS 微振鏡，則是由團(tuán)隊(duì)自研。

關(guān)于 MEMS 缺點(diǎn)的解決辦法，主要有兩種：

一是使用 1550 納米發(fā)射波長(zhǎng)的激光器，用光纖領(lǐng)域的摻鉺放大器進(jìn)一步提升功率。

1550 納米波段的激光，其人眼安全閾值遠(yuǎn)高于 905 納米激光。因此在安全范圍內(nèi)可以大幅度提高 1550 納米光纖激光器的功率。典型例子就是 Luminar。

缺點(diǎn)是 1550 納米激光器價(jià)格極其昂貴。

且這是激光器產(chǎn)業(yè)的范疇，激光雷達(dá)廠(chǎng)家在這方面技術(shù)積累遠(yuǎn)不及激光器產(chǎn)業(yè)廠(chǎng)家，想壓低成本幾乎不可能。

二 是使用 SPAD 或 SiPM 接收陣列，而不是傳統(tǒng) APD 陣列，SPAD 陣列效率比 APD 高大約 10 萬(wàn)倍。

但 SPAD 陣列目前還不算特別成熟，價(jià)格也略高。

(4)Aeva：堅(jiān)持 FMCW

激光雷達(dá)、傳統(tǒng)攝像頭和毫米波雷達(dá)有共通之處，傳統(tǒng) ToF 激光雷達(dá)可以看作一種 3D 攝像頭，只不過(guò)分辨率一般很低。

傳統(tǒng)攝像頭是 2D 成像，激光雷達(dá)是 3D。

激光也可以看做一種電磁波，與毫米波雷達(dá)也非常接近。

FMCW 激光雷達(dá)原理圖

早期汽車(chē)上也是采用電磁波直接發(fā)射反射的方式來(lái)測(cè)定距離，后來(lái)發(fā)現(xiàn)這種方式信噪比低，消耗功率高，如同現(xiàn)在的 ToF 激光雷達(dá)。

后來(lái)發(fā)現(xiàn)連續(xù)波頻率調(diào)制相干檢測(cè)(FMCW)，信噪比高且消耗功率低，但信號(hào)處理運(yùn)算量大。

隨著當(dāng)下芯片算力的提高，這個(gè)困難慢慢被克服，今天電磁波雷達(dá)都是FMCW型的。

此外，早期的電磁波雷達(dá)也是電機(jī)帶動(dòng)掃描的，后來(lái)才轉(zhuǎn)換為印刷平面天線(xiàn)陣列代替機(jī)械掃描。

人們從車(chē)載雷達(dá)的發(fā)展歷程中似乎可以得出結(jié)論，激光雷達(dá)最終也會(huì)是 FMCW 的，也是用陣列代替掃描器的。

ToF 激光雷達(dá)的干擾因素或者說(shuō)噪音比較多。

一是太陽(yáng)光線(xiàn)的影響，這個(gè)對(duì) 1550 納米激光比較敏感，905 納米就好得多。

二是物體的表面材料與顏色也會(huì)影響，不同顏色不同材料對(duì)激光的吸收率是不同的，比如白色和黑色反射率差異巨大，反射率與有效距離關(guān)系密切。反射率越低，有效距離越短。

一般測(cè)量激光雷達(dá)有效距離都需要加上反射率 90% 這個(gè)測(cè)試條件;如果反射率 10%，極端情況下，有效距離可能縮短 50%。

黑色物體反射點(diǎn)云數(shù)量低，遠(yuǎn)距離時(shí)可能無(wú)法感測(cè)到。

FMCW 激光雷達(dá)采用相位干涉拍頻法測(cè)量，這些噪音都不存在了。

對(duì)于 FMCW 激光雷達(dá)，信噪比與發(fā)射光子總數(shù)成比例，而非峰值激光功率。

由于 FMCW 激光雷達(dá)具有高出 10 倍以上的靈敏度，因此其發(fā)射平均功率可以比脈沖 ToF 激光雷達(dá)低 100 倍，這意味著低功耗和更高的人眼安全水平。

FMCW 激光雷達(dá)的光子電路將一部分出射相干激光與接收光混合。

這提供了一種獨(dú)特的「解鎖鑰匙」，可以有效阻止任何環(huán)境輻射或其它激光雷達(dá)的干擾。

FMCW 激光雷達(dá)的光源需要根據(jù)測(cè)量目的對(duì)光載波的頻率進(jìn)行不同形式的調(diào)制，目前常用的包括三角波形式、鋸齒波形式和正弦形式。

發(fā)射信號(hào)的頻率圍繞著光載波頻率 fc隨時(shí)間 t 周期性變化，每一周期 T 稱(chēng)為信號(hào)重復(fù)時(shí)間，頻率的變化范圍(f1-f2)稱(chēng)為調(diào)制帶寬 B。

使用三角波形狀的調(diào)頻形式可以較為容易地解調(diào)出目標(biāo)反射信號(hào)的多普勒頻率，從而可實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)距與測(cè)速。

鋸齒波形狀的調(diào)頻形式常用于與探測(cè)目標(biāo)的相對(duì)速度引入的多普勒頻移量可以忽略的時(shí)候，可以達(dá)到相對(duì)最大的探測(cè)距離。

正弦形狀調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生較為方便，但是解調(diào)方式復(fù)雜，且其精度相對(duì)于高調(diào)頻線(xiàn)性度的調(diào)制形式略差。

一般使用三角波，能夠像 FMCW 毫米波雷達(dá)一樣測(cè)得目標(biāo)的速度。

今天的 FMCW 毫米波雷達(dá)非常簡(jiǎn)單，主要芯片就是收發(fā)器和處理器，其帶來(lái)的好處是易于集成芯片化。這同時(shí)意味著小體積和成本低。

然而 FMCW 毫米波雷達(dá)的成熟歷經(jīng)了近 10 年的時(shí)間。

今天的 FMCW 激光雷達(dá)技術(shù)可以說(shuō)成熟度很低，無(wú)論是激光調(diào)制、接收和數(shù)據(jù)處理都處于萌芽階段，遠(yuǎn)不能和ToF激光雷達(dá)比。

特別是激光調(diào)制，難度極高，從事相關(guān)研究的企業(yè)屈指可數(shù)。

根據(jù)調(diào)諧器件與激光器的關(guān)系，目前實(shí)現(xiàn)激光光載波頻率調(diào)制的方法可以分為內(nèi)調(diào)制技術(shù)和外調(diào)制技術(shù)兩種。

內(nèi)調(diào)制技術(shù)是指調(diào)制過(guò)程與激光振蕩建立同時(shí)進(jìn)行的調(diào)制技術(shù)，通過(guò)調(diào)制改變激光腔的諧振參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)激光器輸出頻率的變化，主要包括調(diào)制諧振腔的光學(xué)長(zhǎng)度或改變腔內(nèi)的增益損耗譜位置等方式;

外調(diào)制技術(shù)是指在激光振蕩建立之后，在激光出射的光路上使用調(diào)制器對(duì)光場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。

無(wú)論哪一種，都尚處在摸索階段。

調(diào)諧性好的光源大多不夠穩(wěn)定，穩(wěn)定的光源大多不能寬可調(diào)諧。

從調(diào)制方式的角度而言，內(nèi)調(diào)制方式由于直接改變諧振腔參數(shù)，獲得大調(diào)諧范圍相對(duì)容易，但是由于激光建立時(shí)間的存在會(huì)造成輸出調(diào)頻光的瞬時(shí)線(xiàn)寬比較寬，導(dǎo)致光源相干長(zhǎng)度的減少。或者為了建立起穩(wěn)定光場(chǎng)就必須限制調(diào)諧速率。

外調(diào)制方式通過(guò)電光效應(yīng)等調(diào)諧機(jī)制能夠在保持種子光的優(yōu)異特性的同時(shí)快速改變光場(chǎng)的瞬時(shí)頻率，但是由于電光效應(yīng)本身的工作帶寬有限，限制了光源調(diào)諧范圍的增加，即限制了該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的最高分辨力。

目前業(yè)內(nèi)傾向于外調(diào)制方式，這種方式缺點(diǎn)是成本高、體積大。

FMCW 的缺點(diǎn)是成本高，其所有元件都需要具備超高精度，因?yàn)檎{(diào)諧頻率是 THz 級(jí)別的，這需要測(cè)量?jī)x器級(jí)的元件。

這種元件供應(yīng)商極少，每個(gè)元件都需要高精度檢測(cè)，良率低。

即使將來(lái)量產(chǎn)，成本也居高不下。所有光學(xué)表面都必須在更嚴(yán)格的公差范圍內(nèi)，例如λ(波長(zhǎng))/20。

FMCW 對(duì) ADC 轉(zhuǎn)換速率的要求是 ToF 系統(tǒng)的 2 到 4 倍，精度要求更高。

對(duì) FPGA 的要求是能夠接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行超高速FFT轉(zhuǎn)換。

即使使用 ASIC，F(xiàn)MCW 系統(tǒng)所需的處理系統(tǒng)復(fù)雜度(和成本)也是 ToF 系統(tǒng)的十倍。

除了成本，F(xiàn)MCW 雖然沒(méi)有了外界因素的干擾，但自身會(huì)帶來(lái)新的干擾。

和毫米波雷達(dá)一樣，F(xiàn)MCW 激光雷達(dá)需要考慮旁瓣的干擾，F(xiàn)MCW 系統(tǒng)依靠基于窗函數(shù)的旁瓣抑制來(lái)解決自干擾(雜波)，該干擾遠(yuǎn)不如沒(méi)有旁瓣的 ToF 系統(tǒng)健壯。

為了提供背景信息，一束 10 微秒的 FMCW 脈沖可以在 1.5 公里范圍內(nèi)徑向傳播。

在此范圍內(nèi)，任何對(duì)象都將陷入快速傅里葉變換(時(shí)間)旁瓣。即使是更短的 1 微秒 FMCW 脈沖也可能會(huì)被 150 米外的高強(qiáng)度雜波破壞。

第一個(gè)矩形窗口快速傅里葉變換(FFT)的旁瓣是大家所知的 -13dB，遠(yuǎn)高于獲得優(yōu)質(zhì)點(diǎn)云所需要的水平。

此外，F(xiàn)MCW 激光雷達(dá)有輕微延遲的問(wèn)題，這是相干檢測(cè)天生的缺陷，無(wú)法改變。

Aeva 的主要合作伙伴是奧迪和 ZF。

采用 FMCW 激光雷達(dá)其他公司還有，通用 2017 年收購(gòu)的 Strobe，這家公司自被收購(gòu)后一直沒(méi)有任何動(dòng)作。

再有就是 BMW i Venture 投資的 Blackmore，2019 年被 Aurora 收購(gòu)。

(5)近似于 Flash 的 Ouster

嚴(yán)格意義上的 Flash 激光雷達(dá)指一次閃光(激光脈沖)成像的激光雷達(dá)。

借用相機(jī)行業(yè)的用語(yǔ)，也叫全局快門(mén)激光雷達(dá)。

廣義的 Flash 激光雷達(dá)指焦平面陣列成像激光雷達(dá)，不一定非要全局快門(mén)，也可以局部快門(mén)。

全局快門(mén)型激光雷達(dá)產(chǎn)品的典型代表是德國(guó)大陸汽車(chē) 2016 年收購(gòu)的 ASC 公司。

與掃描成像激光雷達(dá)比，F(xiàn)lash 激光雷達(dá)沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)部件，是絕對(duì)的固態(tài)激光雷達(dá)，能夠達(dá)到最高等級(jí)的車(chē)規(guī)要求。

掃描成像要掃描整個(gè)工作場(chǎng)才能提供圖像(點(diǎn)云)，通常幀率是 5-10Hz。

這就意味著有至少 100 毫秒的延遲，在高速場(chǎng)景下，這個(gè)延遲是難以接受的。

如果掃描型激光雷達(dá)要提高幀率，那么就必須降低水平角分辨率，這兩者是相悖的。

道理很簡(jiǎn)單，掃描越快，分辨率當(dāng)然會(huì)降低。

但 Flash 不會(huì)，理論上它的脈沖只有幾十納秒到1納秒，也就是說(shuō)幀率可以做到幾十 KHz，甚至 1MHz。

當(dāng)然，考慮數(shù)據(jù)處理能力，現(xiàn)在的 Flash 激光雷達(dá)還是3 0Hz，但它可以說(shuō)是無(wú)延遲的。

德國(guó)大陸汽車(chē)的 HFL110 Flash 激光雷達(dá)，已經(jīng)被豐田 L3 級(jí)無(wú)人駕駛量產(chǎn)車(chē)確定使用

雖然豐田投資了 Luminar，但依然使用了德國(guó)大陸汽車(chē)的激光雷達(dá)。

Flash 激光雷達(dá)的缺點(diǎn)很明顯：

功率密度太低，導(dǎo)致其有效距離一般難以超過(guò) 50 米，分辨率也比較低，用大功率 VCSEL 和 SPAD 能夠解決部分問(wèn)題，但成本也迅速增加。

德國(guó)大陸汽車(chē)在性能和成本間平衡，其成本估計(jì)應(yīng)該不超過(guò) 300 美元，量產(chǎn)后還可以再降大約 100 美元。

為了解決信噪比，有效距離近的缺點(diǎn)，有公司對(duì) Flash 激光雷達(dá)做了改進(jìn)。

改進(jìn)型的設(shè)計(jì)采用 VCSEL 激光發(fā)射陣列，VCSEL 激光發(fā)射陣列采用半導(dǎo)體工藝芯片工藝制造，每一個(gè)小單元的電流導(dǎo)通都可以控制，讓發(fā)光單元按一定模式導(dǎo)通點(diǎn)亮，可以取得掃描器的效果，還可以精確控制掃描形狀。

比如車(chē)速高了，就縮小FOV，提高掃描精度。

車(chē)速低了，就增加 FOV，檢測(cè)范圍加大。

Ibeo 和 Ouster 都是這種設(shè)計(jì)。

Ibeo 認(rèn)為這是掃描型激光雷達(dá)。

而Ouster 認(rèn)為是 Flash 激光雷達(dá)，只不過(guò)前面加了個(gè) Multi-Segment。

實(shí)際兩者是同一種激光雷達(dá)。

Ibeo 在激光雷達(dá)領(lǐng)域耕耘超過(guò) 20 年，其 Flash 激光雷達(dá)性能非常優(yōu)秀。除了像素?cái)?shù)略低于 Lumianr，其余大部分指標(biāo)都與之相當(dāng)。

但可靠性遠(yuǎn)在 Luminar 之上，車(chē)規(guī)也更容易通過(guò)。

為什么這些超級(jí)巨頭看好 Flash 路線(xiàn)?

我認(rèn)為，激光雷達(dá)的發(fā)展方向是 Flash，也可以叫深度相機(jī)。

之所以這樣說(shuō)，是因?yàn)?Flash 激光雷達(dá)：1)最容易通過(guò)嚴(yán)格車(chē)規(guī);2)體積最小;3)安裝位置最靈活;4)全芯片化;5)成本最低(單價(jià)可輕松做到100美元以下);6)性能挖掘潛力最大(深度相機(jī)近似于當(dāng)年剛剛萌芽的CMOS圖像傳感器，最終取代了CCD)。

全球科技界在全局 Flash 領(lǐng)域的研發(fā)投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類(lèi)型的激光雷達(dá)，全部都是超級(jí)巨頭：

博通(特斯拉的合作伙伴, AVGO.US)、索尼、三星、蘋(píng)果(AAPL.US)、意法半導(dǎo)體(STM.US)、英飛凌、AMS、Lumentum、東芝、松下、佳能、濱松、安森美(ON.US)、電裝以及豐田都在開(kāi)發(fā) Flash 車(chē)載激光雷達(dá)。

在光電領(lǐng)域：

無(wú)論是 SPIE 國(guó)際光電工程學(xué)會(huì)，OSA 美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)，ISSCC 國(guó)際固態(tài)電路協(xié)會(huì)，歐洲光電子行業(yè)協(xié)會(huì) EPIC 會(huì)議里，幾乎所有的論文都是有關(guān) Flash 激光雷達(dá)關(guān)鍵部件 SPAD 或 VCSEL 的，傳統(tǒng)的激光雷達(dá)論文完全沒(méi)有。

深度相機(jī)不僅可以用于車(chē)載領(lǐng)域，也可以用于其他固態(tài) 3D 感測(cè)領(lǐng)域，還有 AR/VR。

與特斯拉(TSLA.US)合作開(kāi)發(fā)下一代芯片的全球第二大 IC 設(shè)計(jì)公司博通，在 2020 年 11 月 EPIC 在線(xiàn)會(huì)議上推出車(chē)載 Flash 激光雷達(dá)用 SPAD 或 SiPM 陣列芯片。

蘋(píng)果 iPhone12 Pro 的超廣角鏡頭的上下兩部分構(gòu)成了激光雷達(dá)。

這與。車(chē)用的 Flash 激光雷達(dá)沒(méi)有區(qū)別，也是 VCSEL+SPAD 的設(shè)計(jì)，只是功率小一點(diǎn)，體積小一點(diǎn)。

手機(jī)界實(shí)際早已廣泛采用激光雷達(dá)，只不過(guò)叫 ToF 相機(jī)。

蘋(píng)果回歸了它的真名。

蘋(píng)果已經(jīng)確定造車(chē)，自然也要利用其在激光雷達(dá)領(lǐng)域的研發(fā)成果，這些研發(fā)成果完全可以用在汽車(chē)領(lǐng)域。

蘋(píng)果 iPad 激光雷達(dá)拆解，傳感器也就是 SPAD 由索尼提供。

索尼在 2020 年 12 月 ISSCC上 發(fā)表了題為：A 189×600 Back-Illuminated Stacked SPAD Direct Time-of-Flight Depth Sensor for Automotive LiDAR Systems 的論文，也是直指汽車(chē) Flash 激光雷達(dá)。

一般而言，制約 Flash 激光雷達(dá)性能的兩個(gè)元素：一是激光發(fā)射的 VCSEL;二是接收的 SPAD。

VCSEL 體積小，成本低，易控制，但功率比較低。

幾家 VCSEL 大廠(chǎng)都在努力開(kāi)發(fā)高功率 VCSEL 陣列，進(jìn)展最快的是蘋(píng)果主供應(yīng)商 Lumentum，也是全球第一大 VCSEL 廠(chǎng)家，市場(chǎng)占有率大約 45%。

目前試驗(yàn)產(chǎn)品最高可以做到 10 瓦功率，30 到 50 瓦功率就可以與非 Flash 激光雷達(dá)平起平坐了。

車(chē)載激光雷達(dá) SPAD 方面，目前差不多只有 1 萬(wàn)像素，手機(jī)領(lǐng)域 30 萬(wàn)像素已經(jīng)是主流。

日本在 CCD 領(lǐng)域累積了豐富的經(jīng)驗(yàn)，在 SPAD 領(lǐng)域擁有壓倒性?xún)?yōu)勢(shì)。

佳能已經(jīng)開(kāi)發(fā)出 100 萬(wàn)像素的 SPAD，可以輕松碾壓目前性能最高的 128 線(xiàn)激光雷達(dá)，更不要說(shuō) Luminar 的 MEMS 激光雷達(dá)了。

三星在 2020 年底的國(guó)際固態(tài)電路研討會(huì)上發(fā)表了題為：

A 4-tap 3.5μm 1.2Mpixel Indirect Time-of-Flight CMOS Image Sensor with Peak Current Mitigation and Multi-User Interference Cancellation 的論文，提出了 120 萬(wàn)像素的 ToF 傳感器(即SPAD)。

松下則開(kāi)發(fā)了堆疊型 SPAD。這種 SPAD 可以做到 100 米的有效距離。

東芝也在開(kāi)發(fā)芯片型 SPAD。

東芝 2018 年 3 月試做的 SPAD 芯片，分辨率 240x96。

MEMS 激光雷達(dá)只是過(guò)渡產(chǎn)品，只是這個(gè)過(guò)渡期有多長(zhǎng)很難判斷。

我認(rèn)為，快的話(huà)可能 3 年，慢的話(huà)可能 6 年。屆時(shí)，激光雷達(dá)會(huì)和今天傳統(tǒng)的攝像頭一樣，安裝在后視鏡的位置。

（編輯：曾盈穎）