芯耀
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固態(tài)激光雷達是未來的發(fā)展方向，幾乎沒有異議，不過，什么才是全固態(tài)激光雷達，的確還得掂量掂量。另外，只有能夠量產(chǎn)的激光雷達才有話語權。我們來看看幾家技術路線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
理論上講，完全沒有移動部件的雷達才是固態(tài)激光雷達，光相控陣（OPA）及Flash是其典型技術路線，被認為是全固態(tài)激光雷達方案的代表。不過，近年來一些沒有機械旋轉機構的激光雷達也被統(tǒng)稱為“固態(tài)激光雷達”。其性能特點包括分高辨率、有限水平FOV（前向而不是360°）等，但這些技術方案還是有一些微小的移動部件（MEMS微振鏡），所以從嚴格意義上講只能算“半固態(tài)”。
事實上，固態(tài)激光雷達也存在一些劣勢：
·不能360度旋轉，掃描角度有限，只能探測前方；全方位掃描要在不同方向布置多個激光雷達。
·除了光柵衍射中央明紋，還會形成其他明紋，使激光在最大功率方向以外形成旁瓣效應，分散激光能量。
·光學相控陣要求陣列工作波長在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)機械式雷達接收窗口很小，固態(tài)激光雷達接收面大、信噪比差，增加了掃描解析難度。
目前，固態(tài)激光雷達可靠性強、成本低及測距遠的特性是傳統(tǒng)產(chǎn)品很難同時滿足的，所以才有那么多公司競相研發(fā)。雖然，固態(tài)化、小型化、低成本是未來激光雷達的發(fā)展趨勢，但目前機械式激光雷達仍占有大壁江山。
2、市場競爭已到紅海邊
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系統(tǒng)，以滿足自動駕駛應用；2017年又獲得5000萬美元B輪融資。
盡管想打敗傳統(tǒng)激光雷達的戰(zhàn)爭拉開帷幕不久，量產(chǎn)時間都還是“預計”，Oryx卻已無以為繼，不堪激光雷達市場激烈競爭，在2019年8月宣布關停。其直接競爭對手正是以色列激光雷達初創(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)員工都是物理學家、光學工程師及天線工程師，其使用的是“高大上”的長波太赫茲紅外激光器，因為這種紅外光人眼不可見，功率更高，它還很難被水吸收，不會被云霧、強烈的陽光直射所干擾。
3、Ouster：真正的數(shù)字化全固態(tài)
美國Ouster最近很風光，5月中旬，國內特殊區(qū)域無人駕駛方案及運營商踏歌智行無人礦卡搭載Ouster OS1激光雷達，是為Ouster的量產(chǎn)產(chǎn)品。其最新產(chǎn)品ES2固態(tài)激光雷達仍然沿用了OS1成功驗證的獨有數(shù)字架構，是市場上第一款全固態(tài)、高分辨率、長距離數(shù)字激光雷達，探測距離超過200m。
首款全固態(tài)數(shù)字激光雷達
Ouster CEO兼聯(lián)合創(chuàng)始人Angus Pacala說：“為什么說數(shù)字激光雷達是未來？在2015年成立時，我們就是要設計市場需要的高性能、可靠且價格可接受的傳感器。激光雷達的長期贏家需要做的不僅是滿足客戶當前的需求，還要滿足他們未來的需求，需要不斷穩(wěn)步提高性能，降低成本，跟上客戶的步伐。這也是我們研發(fā)數(shù)字激光雷達技術的初衷。”
高分辨率實現(xiàn)更強的物體識別
激光雷達行業(yè)是一個日趨成熟且不斷變化的行業(yè)，市場對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)字激光雷達的性能能夠在未來很多年內穩(wěn)定持續(xù)提升。ES2通過“電子掃描”方式依次從集成在單芯片上的一萬多個激光器進行發(fā)射。這些激光器與一個定制的數(shù)字探測器陣列相匹配，每秒能夠計數(shù)萬億個單獨光子。因此ES2不需要任何移動部件就可以實現(xiàn)客戶對測距、視場角和分辨率的要求。ES2所使用的激光器和探測器陣列的核心技術與OS系列旋轉式激光雷達相同，也與iPhone和iPad Pro等消費類設備一致。
看看ES2的一些特性：
·極簡的架構：不同于傳統(tǒng)激光雷達內部有數(shù)千個零部件，專為長距、中距、短距應用設計的Ouster數(shù)字激光雷達內部只有一塊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，大大降低了價格，提高了性能和可靠性。
兩塊芯片+兩片透鏡取代零移動部件的透鏡模組
·專為量產(chǎn)設計：ES2與OS系列激光雷達共享86%的零部件，極大地降低了技術和生產(chǎn)風險，有助于實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。
·滿足自動駕駛系統(tǒng)要求：200m+（10%反射率）探測距離，工作壽命100,000小時，有助于實現(xiàn)高速高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），易于集成。
·固件更新：Ouster任何型號的激光雷達均可更新固件。
固件更新
·車規(guī)級別：從一開始ES2就是為滿足甚至超過車規(guī)要求的性能、可靠性和使用壽命而設計的。ES2比目前市場上很多“半固態(tài)”激光雷達結構更簡單、更可靠。
·最嚴格的行業(yè)標準：ES2通過了網(wǎng)絡安全、沖擊及振動、熱循環(huán)、防護等級等測試認證，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)字部件均來自消費電子設備供應鏈，兩類產(chǎn)品的生產(chǎn)線具有一致性，這也是Ouster的獨有優(yōu)勢之一。OS系列旋轉式激光雷達的制造、校準和驗證均已實現(xiàn)規(guī)?；\行，ES2固態(tài)激光雷達將直接在Ouster海外制造工廠中一條已經(jīng)運行的大批量生產(chǎn)線上生產(chǎn)。
Yole光子與傳感團隊成員Pierrick Boulay評價道：“與很多其他市場類似，激光雷達市場的技術路線正在逐漸向數(shù)字化發(fā)展，雖然過渡的過程會花一點時間，但是結果通常都是一樣的：傳統(tǒng)產(chǎn)品創(chuàng)造了市場，數(shù)字化產(chǎn)品最終將主導市場。”
據(jù)介紹，ES2首批樣品將于2022年交付，面向車規(guī)量產(chǎn)項目的初始價格將為600美元，計劃于2024年實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，最終有望降至100美元。
Ouster已累計融資超過1.4億美元，截止目前已經(jīng)贏得全球800多個客戶。
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系統(tǒng)，幫助實現(xiàn)自動駕駛汽車大規(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所有關鍵技術的知識產(chǎn)權，前不久與寶馬等多家主機廠及三星網(wǎng)聯(lián)汽車等建立了合作關系，已籌集超過2.75億美元資金。
Innoviz的技術路線是上面提到的MEMS固態(tài)激光雷達。去年10月推出的新一代激光雷達傳感器InnovizTwo以比上一代InnovizOne低70%的成本提供了顯著性能改進，其提供樣品時間是2021年第三季度。InnovizOne將于2021年在寶馬量產(chǎn)車型首次批量應用。
InnovizTwo MEMS固態(tài)激光雷達
Innoviz CEO兼聯(lián)合創(chuàng)始人Omer Keilaf表示：“針對配有L3級自動駕駛的高端車型，主機廠通常愿意為激光雷達支付高達1000美元。而對于L2級車型，他們只愿意支付400到500美元。”
這些成本不僅包括物理硬件，還包括相關支持軟件，以及開發(fā)和驗證相關的成本。除此之外，大型主機廠不會直接從Innoviz這樣的初創(chuàng)公司那里采購如此重要的零部件。因此，主機廠都是與他們信任的Tier 1供應商合作進行制造和集成。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的視覺系統(tǒng)和安波福的雷達和計算平臺。
InnovizTwo的特性包括：
·可配置感興趣區(qū)域（ROI）：四個單獨控制的感興趣區(qū)域（每個激光器上一個），用于在有限視野中進行動態(tài)聚焦，允許在不影響帶寬、分辨率或幀速率的情況下增強可見性和射程。
·多反射：可返回每個像素的多次反射，并在3D環(huán)境中記錄和存儲多個點。當激光脈沖擊中雨滴、雪花或路徑上的多個物體時，這一點非常重要。
·無間隙像素：由于像素相鄰，在掃描模式上沒有間隙，這對于構建安全的自動駕駛車輛感知系統(tǒng)至關重要。否則，系統(tǒng)可能會錯過與碰撞相關的路面上小物體或位于點云數(shù)據(jù)間隙內的人，而造成毀滅性的后果。
無間隙像素點云
·均勻分布vFOV（垂直視野）：在整個垂直視場上提供統(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）上，而在向邊緣移動時丟失數(shù)據(jù)。其垂直視野還有平移功能，支持安裝公差以及車輛不同裝載等駕駛條件。
·陽光和天氣條件適用性：對環(huán)境光源（如陽光直射和迎面而來的汽車發(fā)出的眩目光）以及惡劣天氣條件（如下雨）具有很強的適應性。
5、Luminar：跨越激光雷達常見陷阱
5月上旬，小馬智行與激光雷達生產(chǎn)商Luminar聯(lián)合發(fā)布了一體式自動駕駛傳感系統(tǒng)，搭載了Luminar Iris系列激光雷達。像小馬智行這種移動出行公司本該使用傳統(tǒng)機械式激光雷達，現(xiàn)在也選擇了可無縫對接、一體化安裝在車頂上的產(chǎn)品，來實現(xiàn)360度全方位的多傳感器融合方案。小馬智行計劃到2023年完成上述車規(guī)級自動駕駛系統(tǒng)量產(chǎn)。
Luminar Iris激光雷達
美國初創(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傳感器的獨特方法中，有數(shù)百種是完全合理的，這也是許多剛起步的激光雷達公司聲稱自己獨一無二的原因，但最終卻在從研發(fā)轉向汽車系列化生產(chǎn)的過程中舉步維艱。汽車工業(yè)有嚴格的性能要求，需要確保安全性和可靠性，還有規(guī)模經(jīng)濟性要求。
在分析了單光子探測、調頻連續(xù)波（FMCW）、閃光、掃描鏡、MEMS、硅光子等測距方法后，Luminar選擇了線性飛行時間（ToF）激光雷達技術路線，沒有使用現(xiàn)成的組件，而是從芯片級開始構建獨特的架構，跨越了其他許多激光雷達所面臨的常見陷阱。目前，其處理硬件ASIC已升級到第四代。
看出點門道沒有？
很多關注激光雷達的人都在問：Luminar到底是什么技術？是不是MEMS？看看上面的圖就會發(fā)現(xiàn)，它使用的掃描方法是“120°×30°FOV的2軸掃描鏡，僅掃描激光而非轉動整個激光雷達”，這表明，Luminar的激光雷達不是全固態(tài)產(chǎn)品。
Luminar Iris激光雷達指標
Luminar的技術有三大創(chuàng)新，包括激光波長、接收器技術，以及上面提到的軟硬件一體，形成了增強技術的護城河。
·激光波長：采用光纖放大方式實現(xiàn)對人眼無害的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，還增加了探測距離和點云分辨率。而Velodyne等其他廠商都是905納米激光，對人眼有害，無法實現(xiàn)大功率。器件方面，利用銦鎵砷（InGaAs）激光接收器將固態(tài)激光雷達的成本降到500-1000美元可銷售范圍。L2用500美元的，L4用1000美元的。1550納米是全天候的，雨雪霧天都基本沒有影響。
Luminar激光雷達點云
·測距法：Luminar的所謂線性飛行時間是為點云中的每個像素發(fā)送一個短脈沖，測量速度非常快，可以立即獲得反射率，且沒有速度相關的范圍誤差。其他技術聲稱比ToF好，但在最高水平時，它們發(fā)出的光較少，必須收集相同數(shù)量的信號，這意味著每次測量所需的時間明顯較長。
Luminar的飛行時間
·軟件：通過分析常見架構的缺陷，Luminar構建了一條不會造成性能折衷的路徑，以滿足業(yè)界嚴格的性能和經(jīng)濟要求。為客戶提供激光雷達硬件和相關軟件，既保證不妨礙實現(xiàn)強健的安全性，又有助于實現(xiàn)自動駕駛的成本目標。
Hydra是一套完整的工具集，Luminar用它測試和開發(fā)多種應用，用來加速各種車型的實施，以實現(xiàn)系列化生產(chǎn)。它可以配置一個或多個激光雷達傳感器，實現(xiàn)從高速公路到城市道路的自動駕駛。其激光雷達前后最大范圍為500米，反射率大于10%條件下射程250米。卡車運輸使用三個傳感器（360°FOV（視場角）），乘用車使用單傳感器（120°FOV）。
卡車和乘用車傳感器配置
3月，Luminar與上汽集團達成戰(zhàn)略合作，將為后者2022年開始量產(chǎn)的R品牌純電動車提供激光雷達傳感器及相應軟件系統(tǒng)。R品牌采用的R-TECH技術包含智能駕駛、智能座艙、三電科技等前沿技術，特別是全棧自研的高階智駕方案PP-CEM，構建了全天候、超視距、多維度的“六重融合式感知體系”，其中包括激光雷達、4D成像雷達、視覺感知攝像頭、超聲波雷達、高精地圖、5G-V2X，從而實現(xiàn)R PILOT 3.0級別自動駕駛。其激光雷達正是Luminar的產(chǎn)品。
不過，有一點不能忽略，那就是“風險提示”：Luminar是目前市值最高的激光雷達公司，巔峰期大約120億美元，目前市值在90億美元左右，是老牌激光雷達廠家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間。從其2020年9月專利中可以看到，雙電機、皮帶驅動的掃描鏡是一種近乎瘋狂的設計，有悖于小型化固態(tài)激光雷達設計理念。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激光雷達專利圖
6、國內企業(yè)還有差距
實現(xiàn)固態(tài)/半固態(tài)激光雷達，降低成本，也許國內廠商的能力不在話下，但深究起來，在芯片自研以及軟件建模和自動駕駛識別決策等方面，國產(chǎn)激光雷達企業(yè)還要發(fā)力追趕，特別是系統(tǒng)級軟件層面，因為這才是一些國外公司的核心競爭力所在。
