得“全固態(tài)LiDAR”者，得“自動駕駛”天下

一張圖展示：未來自動駕駛的LiDAR技術(shù)將是全固態(tài)LiDAR（SS LiDAR）的天下在麥姆斯咨詢之前的報道中，機械式LiDAR依賴宏觀的轉(zhuǎn)動部件（參考：《LiDAR系列報道（二）：汽車LiDAR的“先行者”——機械式LiDAR》），而混合固態(tài)LiDAR借助“微動”器件（參考：《LiDAR系列報道（三）：汽車LiDAR的“革新者”——混合固態(tài)LiDAR》）實現(xiàn)發(fā)射端的激光束掃描功能。由于全固態(tài)LiDAR內(nèi)部沒有任何宏觀或微觀上的運動部件，耐久性和可靠性的優(yōu)勢不言而喻，且順應(yīng)了自動駕駛對LiDAR固態(tài)化、小型化和低成本化的趨勢，因此成為群雄逐鹿的終極方向。

LiDAR技術(shù)分類：（1）按照發(fā)射端分類：單點、多通道、可操縱或相控陣列、泛光面陣式；（2）按照接收端分類：單點、線陣、二維陣列

LiDAR基本原理圖目前，直接切入全固態(tài)LiDAR或者正朝著全固態(tài)LiDAR轉(zhuǎn)型的國內(nèi)外企業(yè)數(shù)量已逐步超越機械式LiDAR和混合固態(tài)LiDAR領(lǐng)域。1. Quanergy（美國）在全固態(tài)LiDAR領(lǐng)域最吸睛的公司則是Quanergy。Quanergy成立于2012年，總部位于硅谷中心的加州桑尼維爾，其領(lǐng)先的固態(tài)LiDAR傳感器和軟件可實時捕獲和處理高清3D地圖數(shù)據(jù)和進行對象偵測、跟蹤和分類，應(yīng)用領(lǐng)域包括運輸、安防、地圖和工業(yè)自動化等。Quanergy的LiDAR傳感器在六大關(guān)鍵商業(yè)化指標(biāo)（成本、性能、可靠性、尺寸、重量和功率效率）上均處于領(lǐng)先地位，同時滿足利用固態(tài)技術(shù)進行大規(guī)模部署所要求的耐久性和可靠性。

Quanergy采用光學(xué)相控陣技術(shù)，于2017年推出的S3是全球首款、也是唯一一款汽車級固態(tài)LiDAR系統(tǒng)，在成本、性能和可靠性方面均處于行業(yè)領(lǐng)先地位。2. LeddarTech（加拿大）LeddarTech成立于2007年，總部位于加拿大，專注于為自動駕駛汽車和駕駛輔助系統(tǒng)開發(fā)自己的LiDAR技術(shù)。其將在CES 2018（2018年1月9~12日在美國拉斯維加斯舉辦的國際消費電子展）重磅展出LeddarCore LCA2芯片——業(yè)界首款能夠?qū)崿F(xiàn)車用LiDAR大規(guī)模量產(chǎn)的3D固態(tài)LiDAR芯片，包括LCA2 芯片工程樣品，以及基于LCA2的3D泛光（Flash）LiDAR模組。同時展出的還包括目前仍處于開發(fā)階段的LiDAR系統(tǒng)分立方案LeddarCore LCA3，首款樣品計劃將于2018年推出。

3. Oryx Vision（以色列）以色列初創(chuàng)公司Oryx Vision創(chuàng)立于2009年，目前，已經(jīng)通過一輪融資募集了1700萬美元，以為自動駕駛汽車開發(fā)固態(tài)深度視覺解決方案。該公司近期發(fā)布了一款新型LiDAR傳感器，利用了長波紅外激光器來追蹤路面上的物體。Oryx的相干光LiDAR系統(tǒng)使用一種被稱為“納米天線”的技術(shù)，不像激光雷達那樣通過光電傳感器來偵測光線粒子，而是根據(jù)光的“波粒二象性”以波的形式使用納米天線來感知反射回來的信號（光）。這款新型LiDAR傳感器納米天線可以接收波長為10微米的電磁波，這種波長能有效穿透煙霧，而且不會像激光雷達那樣受強光影響。

4. XenomatiX（比利時）XenomatiX成立于2013年，總部位于比利時魯汶。其LiDAR沒有任何運動部件，尺寸小、功耗低，基于成熟的半導(dǎo)體元器件，創(chuàng)新的投影模式保證了出色的耐久性。通過數(shù)千束激光的同時照明，分辨率達到每秒百萬次的測量，從而能識別汽車周圍的任一細節(jié)事物。使用平行的低功率激光束，利用電荷積分飛行時間（ToF）法來測量距離，工作范圍達200米。

5. Continental（德國）德國大陸集團（Continental）創(chuàng)始于1871年，是具有百年歷史的跨國性企業(yè)集團，世界領(lǐng)先的汽車配套產(chǎn)品供應(yīng)商之一。大陸集團依靠強大的研發(fā)團隊，設(shè)計生產(chǎn)的短距激光雷達SRL1成為一款可靠且高效的固態(tài)LiDAR，無需任何機械運動部件即可實現(xiàn)正面碰撞檢測等應(yīng)用。SRL1提供基于紅外激光技術(shù)的緊急制動輔助功能，且已經(jīng)在微型車上使用。Continental于去年買下美國的3D泛光（Flash）激光雷達公司Advanced Scientific Concepts，在今年的法蘭克福車展上，大陸這一采用Flash技術(shù)方案的固態(tài)激光雷達也出現(xiàn)在展示區(qū)，設(shè)計探測距離達到200米。

6. TetraVue（美國）TetraVue成立于2008年，總部位于美國加州。其獨創(chuàng)的“光切片（Light Slicer）”專利技術(shù)，集成了固態(tài)激光雷達發(fā)射單元，深度感知攝像頭，以及標(biāo)準(zhǔn)的CMOS和CCD像素技術(shù)等一系列傳感器和算法，能夠通過時間維度和距離維度的量測，利用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS傳感器測算光學(xué)強度信息。

7. Blackmore（美國）Blackmore總部位于美國蒙大拿洲博茲曼，是研發(fā)緊湊型調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）LiDAR的領(lǐng)導(dǎo)者，并提供配套的分析工具軟件。產(chǎn)品可應(yīng)用在關(guān)鍵任務(wù)、汽車、軍事和工業(yè)環(huán)境，這些應(yīng)用場景中，傳統(tǒng)的光電/紅外傳感器和直接探測3D成像則受到成本和性能規(guī)格限制。

8. Strobe / GE（美國）Strobe是從OEwaves獨立出來的一家專注于自動駕駛汽車LiDAR開發(fā)的創(chuàng)業(yè)公司。OEwaves由Strobe公司主要創(chuàng)始人之一創(chuàng)辦于2000年8月，核心技術(shù)包括光電振蕩器（OEO）和“回音壁模式（whispering gallery mode）”光學(xué)諧振腔。Strobe于2017年10月被通用（GE）收購。收購時Strobe僅有12名員工，該公司專注于為自動駕駛汽車開發(fā)100美元以下的全固態(tài)LiDAR。Strobe模仿線性調(diào)頻雷達開發(fā)了一種線性頻率調(diào)制（FM）激光，其線性脈沖的頻率能夠線性變化。探測器通過測量反射的線性調(diào)頻脈沖激光的相位和頻率，不僅能夠獲得物體的距離信息，還能測量其相對運動速度。

9. 光珀智能（中國）光珀智能（Genius Pros）位于中國杭州，該公司推出了“光珀第一代ToF傳感器芯片”，基于這樣的芯片，構(gòu)建了三個固態(tài)面陣式激光雷達技術(shù)平臺，分別滿足不同距離下（近、中、遠），強陽光下（100Klux），大場景（70?），高精度（<1%），高空間分辨率（0.06?V）等三維感知需求。這三個技術(shù)平臺可以服務(wù)于智能安防、機器人的導(dǎo)航與避障、無人駕駛的環(huán)境感知。特別是在無人駕駛領(lǐng)域，光珀的傳感器滿足了量產(chǎn)無人車對激光雷達低成本、高空間分辨率的兩大需要。

10. 北醒光子（中國）北醒光子（Benewake）于2015年成立于北京，專注于固態(tài)激光雷達的研發(fā)和制造。北醒研發(fā)的CE30，是一款具有大視場角的全固態(tài)激光雷達。它可同時輸出132°水平視場、9°垂直視場范圍內(nèi)的灰度與深度信息，且內(nèi)部無任何機械旋轉(zhuǎn)部件，以保證更高的可靠性與穩(wěn)定性。

此外，德國激光雷達供應(yīng)商Ibeo，國內(nèi)鐳神智能、速騰聚創(chuàng)等企業(yè)均已在全固態(tài)LiDAR領(lǐng)域布局。顯然，搶占全固態(tài)LiDAR的先機，就搶食到未來自動駕駛的“香餑餑”，全固態(tài)LiDAR已成為兵家必爭之地。全固態(tài)LiDAR的派別之爭激光雷達測距方法分為飛行時間法和三角法兩大類。目前，汽車全固態(tài)激光雷達大多采用飛行時間法。

激光雷達測距方法按照全固態(tài)LiDAR發(fā)射端照明方式可以分為激光多束發(fā)射、可操縱或相控陣列、泛光面陣發(fā)射三種模式。按照全固態(tài)LiDAR探測端的接收技術(shù)，可以分為相干接收技術(shù)和直接接收技術(shù)。直接接收技術(shù)是接收光子能量的直接形式，優(yōu)點是技術(shù)簡單和成熟。相干接收技術(shù)的接收靈敏度，速度分辨率高，但需要接收機的頻帶特別寬，對激光發(fā)射的頻率穩(wěn)定度的要求也高，對光學(xué)天線系統(tǒng)和機內(nèi)光路的校準(zhǔn)的要求更嚴(yán)格，信息處理單元更復(fù)雜。

全固態(tài)LiDAR按照發(fā)射端的光波特性和接收端的探測技術(shù)進行分類及代表企業(yè)光學(xué)相控陣LiDAR在光學(xué)相控陣（OPA，Optical Phased Array）LiDAR中，相控陣發(fā)射器由若干發(fā)射接收單元組成陣列，通過改變加載在不同單元的電壓，進而改變不同單元發(fā)射光波特性（如光強、相位），實現(xiàn)對每個單元光波的獨立控制，通過調(diào)節(jié)從每個相控單元輻射出的光波之間的相位關(guān)系，在設(shè)定方向上產(chǎn)生互相加強的干涉從而實現(xiàn)高強度光束，而其它方向上從各個單元射出的光波彼此相消，因此，輻射強度接近于零。組成相控陣的各相控單元在程序的控制下，可使一束或多束高強度光束的指向按設(shè)計的程序?qū)崿F(xiàn)隨機空域掃描（對此原理不理解的“筒子”，可以復(fù)習(xí)下光柵衍射的物理現(xiàn)象）。

Quanergy光學(xué)相控陣LiDAR S3工作原理示意圖光學(xué)相控陣LiDAR具有掃描速度快（一般都可以達到MHz量級以上）、掃描精度或指向精度高（千分之一度量級以上）、可控性好（除對目標(biāo)區(qū)域進行高密度的掃描外，在其它區(qū)域也能進行稀疏掃描）等優(yōu)點。但光學(xué)相控陣的制造工藝難度較大，這是因為要求陣列單元尺寸必須不大于半個波長，一般目前激光雷達的工作波長均在1微米左右，這就意味著陣列單元的尺寸必須不大于500納米。而且陣列數(shù)越多，陣列單元的尺寸越小，能量越往主瓣集中，這就對加工精度要求更高。此外，材料的研究和選擇也是非常關(guān)鍵的因素，到目前為止，鈮酸鋰晶體、PLZT壓電陶瓷、液晶和AlGaAs基波導(dǎo)光學(xué)相控已得到開發(fā)。未來，器件方面，進一步減小相控陣單元尺寸，提高衍射效率，減小器件尺寸；更為根本的材料研究方面，開發(fā)工作在中波紅外、長波紅外、紫外波段的液晶材料，以及繼續(xù)尋求具有大雙折射、響應(yīng)速度快、熱穩(wěn)定性高、耐強激光的高性能電光材料，同時發(fā)展對中長波和紫外波段具有較好透過率的電光材料，以擴展光學(xué)相控陣器件的應(yīng)用領(lǐng)域。調(diào)頻連續(xù)波LiDAR調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）LiDAR采用線性調(diào)頻信號，信號發(fā)生器產(chǎn)生線性調(diào)頻鋸齒脈沖射頻信號對連續(xù)波半導(dǎo)體激光器輸出的激光進行線性調(diào)頻強度調(diào)制。調(diào)制后激光經(jīng)過準(zhǔn)直和擴束后發(fā)射出去。激光探測到目標(biāo)后，一部分激光反射到光電探測器上，轉(zhuǎn)化為電信號，從而提取中頻信號獲得目標(biāo)的距離信息。

調(diào)頻連續(xù)波LiDAR測距原理調(diào)頻連續(xù)波LiDAR概念并不新穎，但是面對的技術(shù)挑戰(zhàn)不少，例如發(fā)射激光的線寬限制、線性調(diào)頻脈沖的頻率范圍、線性脈沖頻率變化的線性度，以及單個線性調(diào)頻脈沖的可復(fù)制性等。Strobe采用光電振蕩器（OEO）和“回音壁模式（Whispering Gallery Mode）”光學(xué)諧振腔來解決以上問題，其激光光源可以提供具有15 GHz或以上帶寬的線性調(diào)頻脈沖激光，使LiDAR系統(tǒng)的距離分辨能力可以下探至厘米級以下。

Strobe董事會成員Brower曾在2015年發(fā)布的論文談到他的LiDAR發(fā)射端設(shè)計與OPA類似，或用于Strobe的調(diào)頻連續(xù)波LiDAR納米天線陣列LiDAROryx Vision憑借納米天線陣列LiDAR，找到了困擾自動駕駛汽車商業(yè)化的主要問題：如何平衡探測距離、精度和成本三者的關(guān)系。Oryx Vision深度傳感器可以檢測到150米遠的微小物體，它既可以在暗夜里工作，也不會受直射的陽光影響，而即使在雨霧等極端天氣條件下也可以穩(wěn)定工作。Oryx Vision傳感器可以無縫集成到車輛的四周，一組這樣的傳感器不但可以提供360°范圍的高性能的景深探測覆蓋，而且價格低廉。Oryx Vision使用的是長波太赫茲紅外激光的激光器，因為這種紅外光人眼不可見，功率更高。而這種紅外光還很難被水吸收，不會被云霧、強烈的陽光直射所干擾。當(dāng)發(fā)射出的激光反射回傳感器時，光學(xué)器件將反射回的入射光引導(dǎo)到大量極小的整流納米天線上。入射光在被整流的天線中產(chǎn)生AC響應(yīng)，換句話說，被轉(zhuǎn)換成DC信號。該系統(tǒng)的靈敏度是傳統(tǒng)LiDAR的上百倍。因為天線將入射光處理為波，所以它們還可以檢測到多普勒效應(yīng)（由于其反彈的相對運動而引起的頻率變化），并且由此還可以確定在道路中或附近的其它物體的速度。

Oryx Vision采用的納米天線只有25平方微米，使用薄膜芯片制造工藝直接在集成電路上制造每個納米天線只有5 x 5平方微米，使用薄膜芯片制造工藝在硅晶圓上形成陣列，成本相當(dāng)?shù)土６疫@將使得信號被饋送到機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)相當(dāng)簡單，而這個機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以對場景中的對象進行分類，從而使得對場景的感知更加智能化。泛光（Flash）面陣式LiDAR泛光面陣式是全固態(tài)LiDAR中最主流的技術(shù)之一。泛光面陣式LiDAR的激光光源主要有兩種方式：脈沖和連續(xù)波，分別對應(yīng)脈沖飛行時間（pToF，PluseToF）LiDAR和連續(xù)波飛行時間（cwToF，Continuous Wave ToF）LiDAR。pToF LiDAR采用脈沖，可以實現(xiàn)遠距離探測（如100米以上）；而cwToF LiDAR采用連續(xù)波，主要進行近距離探測（如數(shù)十米）。泛光面陣式LiDAR屬于非掃描式LiDAR，通過脈沖或連續(xù)波捕獲整個場景，而非用激光束逐點掃描。由于探測電子返回脈沖和帶寬較寬的弱點，泛光面陣式LiDAR易受噪聲影響，而閾值觸發(fā)可引起測量誤差Δt。

cwToF LiDAR、pToF LiDAR、雷達和超聲波傳感器的參數(shù)對比由激光雷達的理論可知，在功率受限的情況下，要實現(xiàn)遠的探測距離，則要求大的脈沖時寬，而要實現(xiàn)高的探測精度，則需要大的帶寬，簡單脈沖時寬帶寬乘積接近于1，時寬與帶寬相互關(guān)聯(lián)，不能同時增大時寬與帶寬。pToF LiDAR則通過增益調(diào)制式脈沖激光源，可以解決采用連續(xù)波激光器發(fā)射正弦波在對目標(biāo)成距離像時限制了激光器的瞬時功率從而嚴(yán)重影響成像質(zhì)量和測量范圍的問題。