揭秘華為激光雷達(dá)

華為最近展出了針對(duì)自動(dòng)駕駛的一系列傳感器，包括雙目攝像頭、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)。這次我們首先解密華為的激光雷達(dá)，下次是雙目攝像頭。

華為的保密工作一向是業(yè)內(nèi)最好的，因此別指望有太多公開資料，因此突破口還是選在專利上。2020 年 7 月 2 日，世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織國際局公布了華為的一項(xiàng)有關(guān)激光雷達(dá)的專利，發(fā)明名稱為一種激光雷達(dá)測量模組和激光雷達(dá)。這是華為激光雷達(dá)領(lǐng)域覆蓋面最廣的專利，長達(dá) 52 頁，大多數(shù)中文發(fā)明專利不超過 20 頁。華為專利申請(qǐng)?jiān)敿?xì)說明了激光雷達(dá)的原理和構(gòu)造。很有可能就是華為這款激光雷達(dá) 2.0 的詳細(xì)介紹。

在解密華為激光雷達(dá)前先了解一下激光雷達(dá)信噪比的概念，任何傳感器，最重要的參數(shù)就是信噪比，非相干激光雷達(dá)的信噪比 SNR 方程可以表示為：

從上面公式可以看出，要提高信噪比，最簡單有效的方法是提高接收信號(hào)光功率和量子效率。激光雷達(dá)按光學(xué)掃描器目前可以分為三大類，一類是旋轉(zhuǎn)型機(jī)械激光雷達(dá)，包括 360 度旋轉(zhuǎn)和反射鏡往復(fù)的 Scala，是目前最常見最成熟的激光雷達(dá)。第二類是 MEMS 激光雷達(dá)。第三類是 Flash 激光雷達(dá)，F(xiàn)lash 激光雷達(dá)實(shí)際是 2D/3D 焦平面（FPA）攝像機(jī)，也就是手機(jī)和平板領(lǐng)域大量使用的 ToF 相機(jī)，兩者完全一樣，只是有效距離差很多。Flash 激光雷達(dá)全半導(dǎo)體構(gòu)成，與目前傳統(tǒng)攝像頭幾乎沒有差別，因此前途遠(yuǎn)大，但近期內(nèi)落地較難，因?yàn)槟壳?VCSEL 的效率和指向性，讓 Flash 激光雷達(dá)有效距離和分辨率都不及前兩類，順便要說一下，前兩類激光雷達(dá)輸出的是點(diǎn)云，F(xiàn)lash 激光雷達(dá)輸出的是 3D 圖像，當(dāng)然也可以輸出點(diǎn)云。目前高性能 Flash 激光雷達(dá)主要是 IBEO 和 OUSTER。都對(duì) Beam 做了調(diào)整，不是單一 Beam 而是 Multi-Beam。

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)多少線束，就需要多少組發(fā)射模塊與接收模塊。而采用二維 MEMS 微振鏡，僅需要一束激光光源，通過一面 MEMS 微振鏡來反射激光器的光束，兩者采用微秒級(jí)的頻率協(xié)同工作，通過探測器接收后達(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)激光器和探測器的數(shù)量需求明顯減少。從成本角度分析，N 線機(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）和探測器（典型的如濱松的 PD），1K 數(shù)量下每線激光雷達(dá)的成本大約 200 美元，國產(chǎn)如常用的長春光機(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。像 Velodyne 的 Velarray 每秒單次回波點(diǎn)達(dá) 200 萬個(gè)，而 Velodyne 的 128 線激光雷達(dá)也不過 240 萬個(gè)，Velarray 幾乎相當(dāng)于 106 線機(jī)械激光雷達(dá)。

那么 MEMS 的缺點(diǎn)是什么？缺點(diǎn)就是信噪比和有效距離及 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)低于機(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。導(dǎo)致功率進(jìn)一步下降。這就意味著信噪比的降低，同時(shí)也意味著有效距離的縮短。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，鏡面尺寸與偏轉(zhuǎn)角度是矛盾的，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是正比，目前 MEMS 振鏡最大尺寸是 Mirrorcle，可達(dá) 7.5 毫米，售價(jià)高達(dá) 1199 美元。速騰投資的希景科技開發(fā)的 MEMS 微振鏡鏡面直徑為 5mm，已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段；禾賽科技的 PandarGT 3.0 中用到的 MEMS 微振鏡則是由自研團(tuán)隊(duì)提供。

解決辦法主要有兩種，一是使用 1550 納米發(fā)射波長的激光器，用光纖領(lǐng)域的摻鉺放大器進(jìn)一步提升功率，1550 nm 波段的激光，其人眼安全閾值遠(yuǎn)高于 905nm 激光。因此在安全范圍內(nèi)可以大幅度提高 1550 nm 光纖激光器的激光功率。典型例子就是沃爾沃和豐田投資的 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)廠家的技術(shù)遠(yuǎn)不及激光器產(chǎn)業(yè)廠家，想壓低成本幾乎不可能，還有一個(gè)缺點(diǎn)是 1550 納米對(duì)陽光比較敏感。不過 1550 納米附加一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是像毫米波雷達(dá)一樣全天候。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 萬倍，典型例子是豐田中央研究院。但 SPAD 陣列目前還不算特別成熟，價(jià)格也略高。

華為要想快速切入激光雷達(dá)領(lǐng)域，自然也是選擇 MEMS 激光雷達(dá)，不過針對(duì)功率過低的缺點(diǎn)，華為做了改進(jìn)，也就是華為專利所說的，多線程微振鏡激光測量模組。

華為采用機(jī)械激光雷達(dá)的做法，采用多個(gè)發(fā)射和接收組件，而不是傳統(tǒng) MEMS 激光雷達(dá)那樣只有一個(gè)，因?yàn)槿A為在光電領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)龐大，規(guī)模效應(yīng)突出，采購激光發(fā)射器和接收器的成本遠(yuǎn)比傳統(tǒng)激光雷達(dá)要低。

華為激光雷達(dá)光路圖

圖中畫出了三個(gè)測距模組，分別是 100a、100b、100c，每個(gè)模組包括三個(gè)元件，分別是激光發(fā)射器 101B，分光鏡 102a，接收器 103a。104a 為出射光束，110 為反射鏡，105a 為回波光束，120 為 MEMS 振鏡，微振鏡二維掃描擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光束 140a（源自 104a）的掃描。130 為處理電路。100a、100b、100c 結(jié)構(gòu)完全一致，分時(shí)發(fā)射激光束。華為的等效 100 線，當(dāng)然也不是 100 個(gè)測距模組，那樣增加成本太多了，畢竟 MEMS 振鏡的垂直掃描密度要好控制的多。

華為激光雷達(dá)立體結(jié)構(gòu)圖 1

華為激光雷達(dá)立體結(jié)構(gòu) 2

華為激光雷達(dá)立體結(jié)構(gòu) 3

110 反射鏡的出現(xiàn)，讓華為激光雷達(dá)更緊湊，更加方便線路板布線。同時(shí)以 120MEMS 振鏡為核心，兩邊對(duì)稱放置測距模組。結(jié)構(gòu)更加簡潔。160 和 170 為連接線纜，180 為透光外殼窗口。

華為這種設(shè)計(jì)，當(dāng)然成本和體積肯定比傳統(tǒng) MEMS 激光雷達(dá)大多了，但性能也增加了，特別是有效距離和 FOV，通常激光雷達(dá)廠家在說明有效距離時(shí)不會(huì)加上反射率，一般默認(rèn)為 90%，這樣數(shù)字會(huì)好看很多，而華為特別點(diǎn)明反射率 10%，反射率 10%的情況下，即使短距離激光雷達(dá)都可達(dá) 80 米，傳統(tǒng) MEMS 激光雷達(dá)通常只有一半即 40 米。功率的增加讓 MEMS 振鏡尺寸可以縮小，F(xiàn)OV 就可以大一點(diǎn)，華為激光雷達(dá)的 FOV 也是業(yè)內(nèi)最大的。振鏡越小，價(jià)格也越低。華為這種模塊式布局，可以快速出產(chǎn)多種用途的激光雷達(dá)，適應(yīng)不同的市場需求。

最有希望的 Flash 激光雷達(dá)，相信華為也有布局，不過 Flash 激光雷達(dá)的關(guān)鍵不在于激光雷達(dá)廠家，而是 ToF 傳感器廠家，這些領(lǐng)域都是巨頭，索尼、OV、ST、東芝、松下、安森美、英飛凌等。未來可能像攝像頭一樣，這些巨頭提供傳感器，激光雷達(dá)廠家做成模組，但這個(gè)過程可能長達(dá) 8-10 年。這期間三種激光雷達(dá)可能長期共存。