自動(dòng)駕駛的激光雷達(dá)歷史、發(fā)展梳理

歷史不成熟的經(jīng)驗(yàn)表明：技術(shù)路線的收斂，往往是新技術(shù)大規(guī)模落地的標(biāo)志。按照這種經(jīng)驗(yàn)審視自動(dòng)駕駛技術(shù)，會(huì)遺憾地得出自動(dòng)駕駛落地還遙遙無(wú)期的悲觀結(jié)論，畢竟自動(dòng)駕駛一是不缺自信、二不缺技術(shù)路線之爭(zhēng)。

技術(shù)路線之爭(zhēng)往大了看有單車智能和車路協(xié)同之爭(zhēng)、有純視覺(jué)和多傳感器融合之爭(zhēng)、有依賴高精地圖和不依賴高精地圖之爭(zhēng)……，往小了看有激光雷達(dá)布置位置之爭(zhēng)、有行泊一體和分立之爭(zhēng)……

在所有技術(shù)路線之爭(zhēng)中，如果要挑一個(gè)我心中最有意思和最熱鬧的，非激光雷達(dá)莫屬，不信你看：

（1）測(cè)距方法有飛行時(shí)間（Time of Fly，ToF）法和調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）法之爭(zhēng)；

（2）激光器有邊緣發(fā)射激光器（Edge Emitting Laser，EEL）和垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VSCEL）之爭(zhēng)；

（3）激光波長(zhǎng)有905nm和1550nm之爭(zhēng)；

（4）探測(cè)器有雪崩光電二極管（Avalanche photodiode，APD）、單光子雪崩二極管（Single photon avalanche diode，SPAD）、硅光電二極管（Silicon photomultipliers， SiPMs）之爭(zhēng)；

（5）掃描模塊有機(jī)械式、混合固態(tài)、固態(tài)之爭(zhēng)；混合固態(tài)又有棱鏡、轉(zhuǎn)鏡和微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）微振鏡之爭(zhēng)，固態(tài)有光學(xué)相控陣（Optical Phased Array，OPA）和Flash之爭(zhēng)。

如果單純地將不同技術(shù)路線進(jìn)行排列組合，理論上可以有上百種組合，如圖1所示，這也意味著將有上百種類型激光雷達(dá)。

圖1 激光雷達(dá)紛繁復(fù)雜的技術(shù)路線組合

但很明顯，圖1中不是所有連線都具有可行性。而本系列科普文章，就是想講明白哪些技術(shù)路線不合理，哪些技術(shù)路線是已經(jīng)被淘汰，哪些技術(shù)路線正在被廣泛使用，哪些技術(shù)路線是未來(lái)的發(fā)展方向。

在大規(guī)?？菰锏目破罩R(shí)之前，第一篇就讓我們從緊張刺激而又跌宕起伏的激光雷達(dá)發(fā)展歷史講起。

01 跌宕起伏的歷史

早在二十世紀(jì)六十年代，休斯實(shí)驗(yàn)室的Maiman和Lamb就研制出了可以發(fā)出694.3nm紅色激光的紅寶石激光器，這是公認(rèn)的世界上第一臺(tái)激光器。為什么叫紅寶石呢，因?yàn)樵摷す馄鞯墓ぷ魑镔|(zhì)就是摻有鉻和鋁的紅寶石。

此后隨著激光技術(shù)的發(fā)展，使用激光進(jìn)行探測(cè)的激光雷達(dá)也得到發(fā)展，不過(guò)那時(shí)還主要用于科研領(lǐng)域，比如用于氣象探測(cè)，比如用于對(duì)海洋、森林、地表的地形測(cè)繪，和一般人還沒(méi)什么交集。

到了二十世紀(jì)八十年代，激光雷達(dá)引入了掃描結(jié)構(gòu)，視場(chǎng)角增大之后也讓其在部分商用領(lǐng)域找到了立足之地，比如工業(yè)測(cè)量，著名的Sick（西克）及 Hokuyo（北洋）公司針對(duì)此領(lǐng)域推出的掃描式2D激光雷達(dá)便是其中的優(yōu)秀代表。

2000年以后，激光雷達(dá)由單線掃描又進(jìn)化到多線掃描，并逐漸在環(huán)境三維高精度重建應(yīng)用上展露出一些優(yōu)勢(shì)。

2004年，這是激光雷達(dá)種子在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域種下的年份，美國(guó)第一屆無(wú)人車挑戰(zhàn)賽在“別人恐懼我貪婪”的DARPA資助下如期舉行，參賽隊(duì)伍里有一家名叫Velodyne的公司，這是一個(gè)生產(chǎn)音響設(shè)備的公司，創(chuàng)始人為David Hall博士。

據(jù)說(shuō)Velodyne參加比賽是為了推銷自家的音響產(chǎn)品，不信你看它的隊(duì)名DAD（Digital Audio Drive，數(shù)字音頻驅(qū)動(dòng)），不看解釋我還以為他叫“爹地隊(duì)”，是我膚淺了。Veloyne參加比賽的車輛是一輛被改裝了的帶有全景攝像頭的皮卡，如圖2所示。

Velodyne雖然最后沒(méi)有完成比賽，但David Hall博士在比賽中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新奇的玩意：?jiǎn)尉€激光雷達(dá)，得知這個(gè)玩意的工作原理之后，David Hall博士隨機(jī)感受到這玩意的巨大魅力，同時(shí)也看到了單線激光雷達(dá)的局限性，比完賽回來(lái)之后馬不停蹄地就投入到激光雷達(dá)的研究中。

2005年，第二屆無(wú)人車挑戰(zhàn)賽上，Velodyne在參賽車輛上裝了一個(gè)自家發(fā)明的360°多線束旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)，這臺(tái)激光雷達(dá)直徑達(dá)30英寸，重達(dá)100磅，實(shí)實(shí)在在的一個(gè)大家伙，“花盆”的外號(hào)也因此由來(lái)。

雖然依舊沒(méi)有完成比賽，但這顆車頂?shù)募す饫走_(dá)引起了其他隊(duì)伍的濃厚興趣。比賽之后，Velodyne繼續(xù)與這些參賽隊(duì)伍保持聯(lián)系，并基于這些需求不斷優(yōu)化自己的激光雷達(dá)產(chǎn)品。

2007年，第三屆無(wú)人車挑戰(zhàn)賽移步城市舉行，Velodyne雖然沒(méi)有參加比賽，但是在７支跑完了全程的隊(duì)伍中，有６支搭載了Velodyne的64線束激光雷達(dá)HDL-64，Velodyne激光雷達(dá)自此一戰(zhàn)成名。

比賽結(jié)束后，版權(quán)保護(hù)意思強(qiáng)烈的David Hall博士隨即將這項(xiàng)新發(fā)明申請(qǐng)了專利，并授權(quán)給了Velodyne公司，專利號(hào)為US7969558（High definition LiDAR System），業(yè)內(nèi)稱為“558專利”。

2011年6月，該專利又獲得美國(guó)專利審判和上訴委員會(huì)（Patent Trial and Appeal Board，PTAB）的授權(quán)，這意味著“558專利”成為機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)的基礎(chǔ)專利，成為其他研發(fā)機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)繞不過(guò)去的坎，這也成為后續(xù)眾多江湖恩怨的起源。

繼續(xù)回到DARPA資助的無(wú)人車挑戰(zhàn)賽上，當(dāng)時(shí)低調(diào)亮相的另外一家激光雷達(dá)鼻祖便是Ibeo。1998年成立的Ibeo，2年后被SICK收購(gòu)。第三屆DARPA資助的無(wú)人車挑戰(zhàn)賽上，Ibeo都有給部分參賽隊(duì)伍提供單線掃描式激光雷達(dá)。

尤其是在2005年第二屆無(wú)人車挑戰(zhàn)賽上，斯坦福團(tuán)隊(duì)通過(guò)在感知方案中加入5個(gè)Ibeo激光雷達(dá)，成功在那一年的挑戰(zhàn)賽中脫穎而出，參賽車輛如圖3所示。我有點(diǎn)理解Velodyne的David Hall博士為什么要做多線激光雷達(dá)了，5個(gè)單線激光雷達(dá)并排放著確實(shí)有點(diǎn)壯觀。

2009年是兩家激光雷達(dá)鼻祖光輝歲月的開(kāi)年。

這一年，Ibeo從SICK重新獲得獨(dú)立運(yùn)營(yíng)權(quán)，好運(yùn)也隨之到來(lái)。2010年，獲得了法雷奧的青睞，雙方將合作共同為奧迪L3自動(dòng)駕駛項(xiàng)目開(kāi)發(fā)車載激光雷達(dá)，項(xiàng)目總額達(dá)到10億美金。

這一年，Velodyne推出64線旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)的改進(jìn)版HDL-64E，隨著投入到無(wú)人駕駛領(lǐng)域研究的公司越來(lái)越多，HDL-64E可謂一機(jī)難求，遍尋宇宙無(wú)敵手，8萬(wàn)美金一顆的價(jià)值就正面說(shuō)明了市場(chǎng)的火爆，圖4為搭載在Voyage車上的HDL-64E。

2009年之后，Velodyne在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域叱咤風(fēng)云、為虎作倀，Ibeo在乘用車前裝量產(chǎn)領(lǐng)域嘔心瀝血、潛心打磨。

花開(kāi)兩朵，各表一枝，先來(lái)說(shuō)說(shuō)Ibeo。

經(jīng)過(guò)7年研發(fā)和量產(chǎn)打磨，2017年，其為奧迪A8打造的全球第一款車規(guī)級(jí)激光雷達(dá)SCALA量產(chǎn)交付，該款4線激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)采用一維轉(zhuǎn)鏡方案，水平視場(chǎng)角達(dá)到了145°，測(cè)距達(dá)到了150m，圖5為搭載SCALA奧迪A8。本以為這將是Ibeo的騰飛時(shí)刻，未曾想，奧迪臨門剎車，叫停了帶L3自動(dòng)駕駛功能的A8量產(chǎn)。

雖然遭受了客戶奧迪的爽約，合作伙伴法雷奧的移情別戀，Ibeo非但沒(méi)有就此沉淪，反而極大激發(fā)了自己的斗志，特別是在采埃孚入股Ibeo之后，更是開(kāi)足馬力投入了固態(tài)激光雷達(dá)的研發(fā)中，以期證明自己，這種對(duì)技術(shù)的執(zhí)著實(shí)在是令人欽佩。

這種執(zhí)著在2019年換來(lái)了回報(bào)，前腳剛一口氣發(fā)布了短、中、長(zhǎng)距三款純固態(tài)激光雷達(dá)產(chǎn)品ibeoNEXT，后腳就被東方大國(guó)神秘的客戶長(zhǎng)城汽車看中，隨機(jī)宣布與其達(dá)成戰(zhàn)略合作，ibeoNEXT將搭載在長(zhǎng)城魏牌系列車型，并定于2021年投產(chǎn)。

ibeoNEXT長(zhǎng)距產(chǎn)品采用885nm波長(zhǎng)激光器，擁有11.2°x5.6°的視場(chǎng)角，140m的探測(cè)能力。這個(gè)參數(shù)屬實(shí)有點(diǎn)尷尬，目前主機(jī)廠對(duì)主激光雷達(dá)的視場(chǎng)角要求一般是120°x25°，所以要用ibeoNEXT長(zhǎng)距款作為主激光，需要11個(gè)拼起來(lái)……，造型上得有多丑，造型設(shè)計(jì)部門得有多頭大。

難怪有業(yè)內(nèi)專家說(shuō)：落地是不可能的，只是一個(gè)噱頭。所以這個(gè)合作的結(jié)局早已注定，只是沒(méi)想到這么悲壯。

計(jì)劃搭載IbeoNEXT的長(zhǎng)城魏牌摩卡車型經(jīng)歷了延遲、延遲、再延遲……。2022年8月，成都車展上，長(zhǎng)城魏牌終于官宣了旗下首款激光雷達(dá)車型：摩卡DHT-PHEV激光雷達(dá)版，但為其站臺(tái)的激光雷達(dá)廠商卻不是Ibeo，而換成了速騰聚創(chuàng)。2022年9月，我們也沒(méi)有等來(lái)ibeoNEXT量產(chǎn)的喜訊，卻等來(lái)Ibeo破產(chǎn)的消息。

一代激光雷達(dá)佳人消香玉損，世人在評(píng)價(jià)她時(shí)，總是指責(zé)其在技術(shù)上步子賣的太大，融資和客戶上又不夠用心。但我總覺(jué)得這符合西方創(chuàng)業(yè)公司的傳統(tǒng)，認(rèn)準(zhǔn)一項(xiàng)技術(shù)，死磕，壟斷世界、驚艷世人。

Ibeo只是破產(chǎn)，又不是原地毀滅，這個(gè)時(shí)候說(shuō)不定哪家公司正在繼承Ibeo的衣缽，正在潛心研究固態(tài)激光雷達(dá)，以期一鳴驚人。

到了另一朵花，Velodyne。

2009年之后，自動(dòng)駕駛賽道的火熱將Velodyne推上激光雷達(dá)鐵王座，雖然8萬(wàn)美金一顆、雖然售后服務(wù)幾近于無(wú)，雖然供貨周期漫長(zhǎng)，但奈何市場(chǎng)別無(wú)其他激光雷達(dá)可選。2016年，為了能夠享受到優(yōu)先提貨權(quán)，福特和百度更是向Velodyne激光雷達(dá)公司聯(lián)合投資了1.5億美元。

時(shí)人常戲稱：能有多少自動(dòng)駕駛車輛上路，就看Velodyne能生產(chǎn)多少激光雷達(dá)。

這種躺贏的局面持續(xù)到了2017年，如果從2007年第三屆無(wú)人車挑戰(zhàn)賽算起，整整躺贏了10年。后面的故事大家就比較熟悉一點(diǎn)，以禾賽科技和速騰聚創(chuàng)為首的國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)廠商開(kāi)始入局，其產(chǎn)品以極高的性價(jià)比、貼心的售后服務(wù)及極友善的交付周期迅速圈粉無(wú)數(shù)。

2019年8月，感受到國(guó)內(nèi)廠商威脅的Velodyne祭起了大殺器“558專利”，在美國(guó)加州起訴了禾賽科技和速騰聚創(chuàng)兩家中國(guó)公司侵權(quán)。

剛發(fā)起專利訴訟沒(méi)多久，2019年底，想要將主要精力放在歐美市場(chǎng)的Veodyne突然決定不直接在中國(guó)市場(chǎng)銷售激光雷達(dá)，而是通過(guò)代理模式發(fā)展，同時(shí)裁掉了大部分在中國(guó)的工作人員。未曾想，戰(zhàn)略放棄的中國(guó)市場(chǎng)在兩年后成為激光雷達(dá)最核心的戰(zhàn)場(chǎng)。

2020年6月和9月，禾賽科技和速騰聚創(chuàng)先后跟Velodyne達(dá)成了和解，并簽署了專利許可協(xié)議。兩家公司同意向Velodyne支付和解費(fèi)用，包括一次性的專利許可補(bǔ)償及后續(xù)按年支付的專利許可使用費(fèi)。

之后的兩年，用內(nèi)憂外患形容Velodyne毫不為過(guò)，曾經(jīng)引以為傲的機(jī)械式激光雷達(dá)市場(chǎng)迅速縮水，2020年推出的混合固態(tài)激光雷達(dá)又沒(méi)激起水花。覆巢之下安有完卵，2021年，David Hall博士和其妻子因“表現(xiàn)不當(dāng)且缺乏誠(chéng)信”被罷免職務(wù)。

終局就是2023年開(kāi)年，Velodyne宣布與Ouster公司合并，合并后公司仍以O(shè)uster命名，股票代碼也是OUST，一代激光雷達(dá)巨頭，真的是揮一揮衣袖，不帶走一個(gè)名字。

在激光雷達(dá)的發(fā)展史上，還有許多發(fā)揮重要作用的人物和公司，在此我們就不展開(kāi)敘述，只是通過(guò)Velodyne和Ibeo兩家公司波瀾壯闊的發(fā)展歷史來(lái)回顧激光雷達(dá)的青蔥歲月。

02 激光器之爭(zhēng)

在激光雷達(dá)名稱的四個(gè)字中，激光占據(jù)了一半的分量，這足以說(shuō)明其“家庭地位”。

究竟什么是激光、發(fā)射激光的激光器有哪些類型，激光器有哪些重要的參數(shù)，本文期望能夠說(shuō)清一二。

一、激光的誕生

激光Laser的英文全稱為L(zhǎng)ight Amplification by Stimulated Emission of Radiation，直譯過(guò)來(lái)就是受激輻射光放大，聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)別扭，但其實(shí)精確表達(dá)了激光產(chǎn)生的原理，而要講清這個(gè)原理，就不得不從物資原子結(jié)構(gòu)聊起。

19世紀(jì)末，科學(xué)家通過(guò)一系列粒子撞擊試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：原子是由原子核和繞核運(yùn)動(dòng)的電子組成，電子圍繞原子核不停地旋轉(zhuǎn)，同時(shí)原子核也不停地自轉(zhuǎn)，原子核內(nèi)部還可以細(xì)分為質(zhì)子和中子，原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1913年，年僅28歲的丹麥物理學(xué)家波爾（Niels Bohr）在借鑒了普朗克（Max Planck）的量子理論基礎(chǔ)上提出了全新的原子結(jié)構(gòu)模型，其基本假設(shè)主要包括：

（1）定態(tài)假設(shè)：電子在原子核庫(kù)侖力作用下，只會(huì)在一些分立的特定圓形軌道運(yùn)動(dòng)，且不向外輻射光子，處于穩(wěn)定的狀態(tài)，這種狀態(tài)被稱為定態(tài)。

注：光子（Photon）是一種基本粒子，是電磁輻射的量子，其靜止質(zhì)量為零，不帶電荷，其能量E為普朗克常h和電磁輻射頻率f的乘積：E=hf，在真空中以光速運(yùn)行。

（2）軌道假設(shè)：電子在不同的軌道上運(yùn)動(dòng)，能量是不同的，能量相對(duì)較高的為高能態(tài)，相對(duì)較低的為低能態(tài)。當(dāng)電子處于離核最近的軌道上時(shí)，能量最低，稱為基態(tài)，當(dāng)電子處于其他軌道上時(shí)，都比基態(tài)能量高，稱為激發(fā)態(tài)。

（3）躍遷假設(shè)：在不同定態(tài)之間躍遷，會(huì)輻射或吸收一定頻率的光子，輻射或吸收光子的能量由這兩個(gè)定態(tài)的能量差決定。

原子中處于高能態(tài)的電子，在沒(méi)有任何外界光子作用下，有一定概率會(huì)自發(fā)地從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，損失的能量會(huì)以光子的形式輻射出來(lái)，這個(gè)過(guò)程稱之為自發(fā)輻射，如圖7所示。

圖7 自發(fā)輻射過(guò)程

不同原子自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子在頻率、相位、偏振方向及傳播方向上具有隨機(jī)性。白熾燈的工作原理就是基于自發(fā)輻射，通電后白熾燈燈絲中高能態(tài)電子數(shù)增多，頻繁地發(fā)生自發(fā)輻射產(chǎn)生大量光子。

原子中處于低能態(tài)的電子，也不是吃素的，隨時(shí)在觀察身邊是不是有外來(lái)光子經(jīng)過(guò)，一旦有能量恰好等于兩個(gè)能級(jí)之間能量差（E2-E1）的光子出現(xiàn)時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)“吸星大法”，將光子的能量吸收過(guò)來(lái)，用來(lái)將自己提升到高能態(tài)，這一過(guò)程稱為受激吸收，如圖8所示。

圖8 受激吸收過(guò)程

原子中處于高能態(tài)的電子，在見(jiàn)到上述外來(lái)光子時(shí)，也不會(huì)無(wú)動(dòng)于衷，并且在輻射場(chǎng)能量夠大后，自己將向低能態(tài)躍遷并輻射出一個(gè)和外來(lái)光子具有相同頻率、相位、偏振方向及傳播方向的光子，聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)像私奔，這個(gè)過(guò)程稱之為受激輻射，如圖9所示。

圖9 受激輻射過(guò)程

這樣，通過(guò)一次受激輻射，一個(gè)光子變?yōu)閮蓚€(gè)相同的光子，這意味著光被放大了。到此為止，激光的直譯解釋中（受激輻射光放大）七個(gè)字已經(jīng)悉數(shù)有序登場(chǎng)，但此時(shí)的光還不能稱為激光。

首先，自然條件下，原子中處于高能態(tài)的電子數(shù)目總是比低能態(tài)的電子數(shù)目少，所以外來(lái)光子經(jīng)過(guò)，你很難保證是被低能態(tài)電子吸收發(fā)生受激吸收，還是被高能態(tài)電子看上，發(fā)生受激輻射。如果想要原子內(nèi)部產(chǎn)生更多的受激輻射過(guò)程，就需要外界提供能量打破熱平衡，從而使高能態(tài)和低能態(tài)電子數(shù)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程，一是需要采用容易發(fā)生高低能態(tài)電子數(shù)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的工作物質(zhì)，這種物質(zhì)被稱為增益介質(zhì)。二是需要對(duì)增益介質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)并提供讓增益介質(zhì)不斷發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的能量源，被稱為泵浦源。增益介質(zhì)在泵浦源的激勵(lì)下，發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這是激光產(chǎn)生的前提條件。

其次，處于高能態(tài)電子也會(huì)發(fā)生自發(fā)輻射，更何況之前已經(jīng)通過(guò)泵浦源人為的將低能態(tài)電子拉升到了高能態(tài)，這種自發(fā)輻射過(guò)程在沒(méi)有人為干預(yù)情況下會(huì)更加強(qiáng)烈，因此我們要想辦法讓受激輻射遠(yuǎn)大于自發(fā)輻射，說(shuō)白了就是要讓增益大于損耗。

辦法之一就是在增益介質(zhì)前后兩端加上兩個(gè)反射鏡，其中一端是全反射鏡，另一端是部分反射鏡，這一結(jié)構(gòu)被稱為諧振腔。當(dāng)受激輻射發(fā)生后，方向合適的光子會(huì)在兩個(gè)反射鏡之間反復(fù)橫跳，多次經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)，使增益介質(zhì)內(nèi)部反復(fù)產(chǎn)生受激輻射，如圖10所示。

圖10 激光器內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)組成

當(dāng)光束放大到可以穿透部分反射鏡的閾值時(shí)，會(huì)從部分反射鏡中透射出來(lái)，形成激光束。由于兩面反射鏡位于特定的方向，對(duì)于方向不合適的受激輻射光會(huì)被濾除。同時(shí)兩鏡面之間的距離也對(duì)輸出的激光波長(zhǎng)有著選擇作用，只有在兩鏡間的距離能產(chǎn)生共振的波長(zhǎng)才能產(chǎn)生激光。

因此我們看到穿透部分反射鏡的激光束波長(zhǎng)一致、方向一致、波束極窄，這也是諧振腔篩選的結(jié)果。

至此，一束激光算是真正誕生了。

二、激光器

增益介質(zhì)、泵浦源和諧振腔是激光誕生所需要的主要光學(xué)系統(tǒng)，如果再輔以電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機(jī)械機(jī)構(gòu)等，就可以組成一個(gè)利用受激輻射原理產(chǎn)生激光的完整激光器。

增益介質(zhì)是光子產(chǎn)生的源泉，基于這個(gè)維度，激光器可分為氣體、液體、固體三種類型，固體類型激光器又可細(xì)分為固體、光纖、混合、半導(dǎo)體等類型，如圖11所示。應(yīng)用在汽車領(lǐng)域的激光雷達(dá)，以半導(dǎo)體激光器和光纖激光器為主，下文我們對(duì)這兩類激光器展開(kāi)介紹。

圖11 激光器的分類

（1）半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器的前綴是半導(dǎo)體，所以要介紹清楚，不得不從半導(dǎo)體最基礎(chǔ)的PN結(jié)說(shuō)起。

P型半導(dǎo)體是通過(guò)在純凈半導(dǎo)體（不含雜質(zhì)且無(wú)晶格缺陷的半導(dǎo)體）中摻雜特定雜質(zhì)，讓空穴（相當(dāng)于帶正電的粒子）數(shù)量增多。N型半導(dǎo)體也是如此操作，只是摻雜的雜質(zhì)讓電子（帶負(fù)電的粒子）數(shù)量增多?？昭ê碗娮颖环Q為載流子。

如果將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體基片（硅或鍺）上，一方面由于濃度差，P型區(qū)多子（空穴）會(huì)向N型區(qū)擴(kuò)散，而N型區(qū)多子（電子）會(huì)向P型區(qū)擴(kuò)散，形成載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。另一方面，滯留的帶電離子（P區(qū)失去空穴產(chǎn)生負(fù)離子區(qū)，N區(qū)失去電子產(chǎn)生正離子區(qū)）形成的內(nèi)電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)P（N）型區(qū)的少子向低電勢(shì)移動(dòng)，形成反向的漂移運(yùn)動(dòng)，如圖12所示。

圖12 PN結(jié)的形成

當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)所遷移的載流子數(shù)目相同時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，就形成一個(gè)PN結(jié)。PN結(jié)中載流子數(shù)量非常少的一個(gè)高電阻區(qū)域稱為耗盡區(qū)。

如果給PN結(jié)施加一個(gè)正向電壓（P型區(qū)接正極，N型區(qū)接負(fù)極），正向電壓的電場(chǎng)與PN結(jié)的自建電場(chǎng)方向相反，它削弱了自建電場(chǎng)對(duì)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙作用。在外電場(chǎng)作用下，大量電子將被推向N區(qū)，其中一部分與空間電荷區(qū)正離子附近的空穴復(fù)合。大量空穴也會(huì)被推向P區(qū)，其中一部分與空間電荷區(qū)負(fù)離子附近的電子復(fù)合。載流子復(fù)合過(guò)程將會(huì)發(fā)射某種波長(zhǎng)的光子，也就是發(fā)生了自發(fā)輻射。

隨著正向電壓上升，流經(jīng)PN結(jié)的電流大于一個(gè)閾值時(shí)，自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子通過(guò)半導(dǎo)體內(nèi)已激發(fā)的電子-空穴對(duì)附近時(shí)，就能激勵(lì)二者復(fù)合再產(chǎn)生一個(gè)新的光子，也就是發(fā)生了受激輻射，再加上諧振腔的反射，就能通過(guò)受激輻射加速光子的產(chǎn)生，從而產(chǎn)生激光。

但是要注意的是，并非所有半導(dǎo)體材料PN結(jié)發(fā)生載流子復(fù)合時(shí)都會(huì)產(chǎn)生光，有的半導(dǎo)體材料會(huì)將部分能量轉(zhuǎn)化為熱耗散掉而不產(chǎn)生光，這就會(huì)導(dǎo)致發(fā)光效率的降低，因此為了提高發(fā)光效率，通常使用帶隙半導(dǎo)體作為發(fā)光材料，例如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等。

總結(jié)一下：半導(dǎo)體激光器就是指使用半導(dǎo)體材料作為增益介質(zhì)，采用半導(dǎo)體工藝在半導(dǎo)體材料中構(gòu)造出大量PN結(jié)，在泵浦源的激勵(lì)下，PN結(jié)區(qū)域發(fā)生載流子復(fù)合從而發(fā)生受激輻射，受激輻射產(chǎn)生的光子在諧振腔的作用下最終生成一束激光。

半導(dǎo)體激光器使用的泵浦源主要有三種方式：電激勵(lì)、電子束激勵(lì)，光激勵(lì)和碰撞電離激勵(lì)等。絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光器采用的是電激勵(lì)，即給PN結(jié)加正向電壓，以使在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激輻射，也就是說(shuō)是個(gè)正向偏置的二極管，因此半導(dǎo)體激光器又稱為激光二極管。

半導(dǎo)體激光器具有效率高、體積小、壽命長(zhǎng)、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代激光技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，具有戰(zhàn)略性的發(fā)展意義。其根據(jù)諧振腔制造工藝的不同可分為邊緣發(fā)射激光器（Edge Emitting Laser，EEL）和垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）兩種。

EEL是在芯片的兩側(cè)鍍光學(xué)膜形成諧振腔，由于諧振腔與襯底（晶圓片）平行，因此EEL沿平行于襯底表面發(fā)射激光。

VCSEL是在芯片的上下兩面鍍光學(xué)膜，形成諧振腔，由于諧振腔與襯底垂直，能夠?qū)崿F(xiàn)垂直于芯片表面發(fā)射激光。

EEL和VCSEL的結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖13所示。

圖13 EEL和VCSEL的結(jié)構(gòu)對(duì)比

以VCSEL為例，詳細(xì)介紹一下半導(dǎo)體激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，VCSEL典型結(jié)構(gòu)剖面如圖14所示，從上往下依次為P型接觸電極、上反射鏡、上氧化限制層、有源區(qū)、下氧化限制層、下反射鏡、襯底及N型接觸電極。

圖14 VCSEL典型結(jié)構(gòu)

有源層通常由3~5個(gè)量子阱（一種薄層結(jié)構(gòu)，可以在垂直于薄層表面的方向上限制粒子）組成。有源區(qū)的兩側(cè)是氧化限制層，一方面起著限制載流子的作用，另一方面起著調(diào)節(jié)諧振腔長(zhǎng)度的作用，使其諧振波長(zhǎng)正好是所需要的激光波長(zhǎng)。

限制層兩側(cè)是上下反射鏡，通常采用N型和P型布拉格光柵（N-DBR/P-DBR）作為諧振器反射鏡。N-DBR在下方作為全反射鏡，反射率接近99.9%。P-DBR在上方作為部分反射鏡，反射率也大于99%。

在襯底（N型砷化鎵材料）和P-DBR的外表面制作接觸電極，形成歐姆接觸，并在P-DBR上制成一個(gè)圓形光窗口，獲得圓形光束，窗口直徑從幾微米可到百微米量級(jí)。

工作時(shí)，電流從P型電極注入，通過(guò)氧化層注入到有源區(qū)，會(huì)在有源區(qū)形成受激輻射實(shí)現(xiàn)激光輸出。激光的輸出方向垂直于有源區(qū)表面，穿過(guò)限制層表面，從低反射率的P-DBR反射鏡射出，最終穩(wěn)定輸出激光。

EEL和VCSEL的主要性能差異體現(xiàn)在功率密度、溫漂系數(shù)、光束質(zhì)量、光譜寬度和生產(chǎn)成本等方面，匯總?cè)绫?所示。

表1 EEL和VCSEL主要性能參數(shù)對(duì)比

（a）功率密度。在激光領(lǐng)域，功率密度表示單位時(shí)間內(nèi)，激光輻照在單位面積靶材上的能量大小，單位為W/mm^2。在其他條件相同的情況下，功率密度低意味著從被測(cè)物體表面反射回來(lái)的入射光功率低，這將導(dǎo)致探測(cè)距離短。

EEL的光功率密度一般是60000W/mm^2左右，而現(xiàn)在頭部廠商生產(chǎn)的五結(jié)VCSEL功率密度也只有1500W/mm^2左右，相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。

（b）光束發(fā)散角。激光器發(fā)射出去的激光具有一定的發(fā)散角，發(fā)散角直接決定激光打到被測(cè)物體表面的光斑面積，從而影響了激光打在被測(cè)物體上的光功率密度，最終影響從被測(cè)物體表面反射回探測(cè)器表面的入射光功率。在其他條件相同的條件下，若發(fā)散角減小50%，則激光雷達(dá)探測(cè)距離將提升41%。

VCSEL打在物體上的光斑呈點(diǎn)圓形，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角典型值在20°左右。EEL打在物體上的光斑呈橢圓形，慢軸遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角典型值在20°左右，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角典型值在30°左右，因此VCSEL具有相對(duì)較小的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。

這樣的發(fā)散角大小其實(shí)都是不可接受的，都需要準(zhǔn)直鏡和擴(kuò)束鏡，來(lái)減小激光的發(fā)散角。

（c）光譜寬度。由于濾光片在接收激光時(shí)需要過(guò)濾掉特定波長(zhǎng)（905 nm/1550 nm）以外的光，因此光譜寬度越窄意味著激光的抗干擾性越強(qiáng)，信噪比也就越高。目前VCSEL激光器的光譜寬度在1~2 nm左右，低于EEL的3~8 nm，擁有較強(qiáng)的抗干擾性。

（d）溫漂系數(shù)。溫漂是指激光波長(zhǎng)隨溫度變化發(fā)生偏移的現(xiàn)象，偏移過(guò)大會(huì)導(dǎo)致回波信號(hào)被濾光片濾掉，無(wú)法被探測(cè)器接收到。當(dāng)然也可以提高濾光片的光譜寬度，但這會(huì)導(dǎo)致信噪比減少，抗干擾能力減弱。目前VCSEL的溫漂大約是EEL的六分之一。

（e）生產(chǎn)成本。EEL是平行于襯底側(cè)面發(fā)光，所以在形成晶圓后還需要進(jìn)行切割、翻轉(zhuǎn)、鍍膜、再切割的工藝步驟，無(wú)法按照現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝來(lái)一次性處理，生產(chǎn)成本較高。VCSEL垂直于襯底正面發(fā)光，不需要在側(cè)面進(jìn)行太多加工，只需要按照正常的半導(dǎo)體加工工藝批量處理即可，成本較低。按照Yole的統(tǒng)計(jì)，EEL的后道處理工序成本比VCSEL高了一倍以上。

（2）光纖激光器

光纖激光器和半導(dǎo)體激光器一樣，都是由能產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)，對(duì)增益介質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)的泵浦源，使光子諧振放大的光學(xué)諧振腔三部分組成。

光纖激光器與半導(dǎo)體激光器的最大不同在于增益介質(zhì)，半導(dǎo)體激光器使用的增益介質(zhì)是半導(dǎo)體，而光纖激光器使用的增益介質(zhì)是光纖。

半導(dǎo)體激光器的發(fā)光機(jī)理上文已經(jīng)介紹過(guò)，泵浦源常為電激勵(lì)方式，而光纖不能夠直接實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，因此泵浦源常采用光激勵(lì)方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)光光轉(zhuǎn)換，光纖激光器最常用的泵瀑源就是半導(dǎo)體激光器。

光纖激光器按照增益介質(zhì)、諧振腔結(jié)構(gòu)可以細(xì)分為很多類型，下面以稀土摻雜類增益介質(zhì)、光柵反射鏡諧振腔為例，介紹光纖激光器的工作原理，如所示。

圖光纖激光器原理

泵浦源又被成為“種子源”，通過(guò)合束器為光纖激光器提供高功率、高亮度的泵浦光。工作時(shí)，泵浦源發(fā)出的泵浦光耦合進(jìn)入增益介質(zhì)光纖中，泵浦光被吸收，吸收了光子能量的稀土離子發(fā)生能級(jí)躍遷并實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)后的粒子經(jīng)過(guò)諧振腔，由激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，釋放能量，并形成穩(wěn)定的激光輸出。

三、波長(zhǎng)

任何一種光都有波長(zhǎng)，激光也不例外，激光雷達(dá)最常使用的波長(zhǎng)為905nm和1550nm，主流激光雷達(dá)波長(zhǎng)如表2所示。

表2 主流激光雷達(dá)波長(zhǎng)

關(guān)于激光波長(zhǎng)，繞不開(kāi)的一個(gè)話題就是人眼安全。當(dāng)一束強(qiáng)烈的可見(jiàn)光照射眼睛，我們會(huì)本能的閉上眼睛來(lái)躲避光線。但是對(duì)于激光這種不可見(jiàn)的近紅外光，當(dāng)眼睛被照射時(shí)，眼睛并不會(huì)注意到它，如果累積了足夠的能量，激光就會(huì)對(duì)我們的眼睛造成不可逆的傷害，包括視網(wǎng)膜灼傷以及白內(nèi)障。

為了評(píng)價(jià)這種傷害的級(jí)別，國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，IEC）制定了一份激光安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 60825，標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)最大允許暴露度（Maximum Permissible Exposure，MPE）對(duì)激光進(jìn)行分類。MPE指在給定波長(zhǎng)和持續(xù)時(shí)間內(nèi)，在不允許引起生物組織損傷的情況下，每單位面積允許的最大激光能量。

IEC 60825將激光劃分為7類：1類、1M類、2類、2M類、3M類、3R類和4類。數(shù)字越大造成生物組織損傷的可能性越大，1類激光的風(fēng)險(xiǎn)非常低，并且“在合理可預(yù)見(jiàn)的使用范圍內(nèi)是安全的”。4類激光在光束內(nèi)觀察以及受到漫反射時(shí)都是危險(xiǎn)的，它們還可能導(dǎo)致皮膚受傷，并有潛在的火災(zāi)威脅隱患。

IEC60825用不同脈寬的激光器做了MPE實(shí)驗(yàn)，如圖17所示，橫軸代表不同波長(zhǎng)的激光，縱軸是人眼安全的MPE閾值，不同顏色的線代表不同脈寬的激光器。

圖17 不同波長(zhǎng)激光器的MPE值

從圖中可以看出，任何脈寬的1550nm激光器的MPE值都要比950nm激光器的MPE值高，這意味著人眼能承受更大能量的1550nm激光的照射，這意味著1550nm激光雷達(dá)將擁有更高的發(fā)射功率。

功率高、卻能保證人眼安全的原因是1550nm的激光容易被水吸收，而人眼表面正好又一層水（眼液），所以要想傷我的視網(wǎng)膜，先過(guò)了我這層水再說(shuō)。

發(fā)射功率高帶來(lái)的最直接好處就是探測(cè)距離將更遠(yuǎn)，不信你看使用一個(gè)1550nm激光器的圖達(dá)通的獵鷹靈動(dòng)版激光雷達(dá)，在10%反射率的前提下，測(cè)距能力達(dá)到250m。而使用了905nm激光器的速騰聚創(chuàng)的RS-Lidar-M1激光雷達(dá)，在10%反射率的前提下，測(cè)距能力只有150m。

有矛就有盾，1550nm激光雷達(dá)的盾就是雨天，據(jù)部分公司的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：2毫米厚的水層，不對(duì)，應(yīng)該叫水薄膜都能將1550nm激光的90%能量吸收掉，這意味這小雨天要慎用、中雨及大雨用不了。

當(dāng)然業(yè)界有一種聲音，覺(jué)得如果雨水呈片狀的“水簾”或“水灘”的話，1550nm激光被吸收的概率很大，但是如果是“雨點(diǎn)”的話，基本不具備完全屏蔽1550nm激光的能力。其實(shí)這種聲音忽略了被測(cè)物體，無(wú)論大雨還是小雨，無(wú)論被測(cè)物體靜止還是移動(dòng)，在雨中呆上一段時(shí)間后表面都會(huì)形成一層水膜，所以你即使能躲避雨滴的吸收，你能躲避得了被測(cè)物體上的水膜？

所以矛與盾必然存在，就看廠家如何使用。

03 掃描方式之爭(zhēng)

掃描方式是激光雷達(dá)最早也是最多被拿出來(lái)討論的話題，以至于很多人今天再聽(tīng)到這個(gè)話題，都有一種“想吐”的感覺(jué)，但這條技術(shù)路線之爭(zhēng)卻是最充滿腥風(fēng)血雨的。

激光器、探測(cè)器也存在技術(shù)路線之爭(zhēng)，但是很少聽(tīng)說(shuō)因?yàn)檫x了不同類型激光器而導(dǎo)致公司“家徒四壁”，也很少聽(tīng)說(shuō)因?yàn)檫x了不同類型探測(cè)器而導(dǎo)致公司“衣不蔽體”。

但掃描方式就不一樣，選得好的已經(jīng)是主機(jī)廠的座上賓，而選得不好的，好一點(diǎn)可能是暫時(shí)退出車載激光雷達(dá)領(lǐng)域，壞一點(diǎn)已經(jīng)直接破產(chǎn)倒閉。

所以掃描方式還是值得我們濃墨重彩地進(jìn)行介紹。

按照掃描方式，激光雷達(dá)可以分為機(jī)械式、混合固態(tài)和固態(tài)三種。

機(jī)械式激光雷達(dá)實(shí)在沒(méi)什么可說(shuō)的，發(fā)射模塊和接收模塊在電機(jī)帶動(dòng)下，進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)掃描。

混合固態(tài)激光雷達(dá)包括三條技術(shù)路線：棱鏡、轉(zhuǎn)鏡和MEMS微振鏡。棱鏡和轉(zhuǎn)鏡技術(shù)路線下，發(fā)射模塊和接收模塊固定不動(dòng)，電機(jī)只帶動(dòng)一面或幾面“鏡子”旋轉(zhuǎn)。MEMS微振鏡技術(shù)路線更進(jìn)一步，連電機(jī)也取消了，微振鏡在靜電、電磁、電熱或壓電驅(qū)動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)掃描。

固態(tài)激光雷達(dá)人如其名，就是內(nèi)部沒(méi)有一點(diǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，包括光學(xué)相控陣（Optical Phased Array，OPA）和Flash兩種方案。

下文主要對(duì)激光雷達(dá)混合固態(tài)和固態(tài)兩種掃描方式進(jìn)行介紹。

一、混合固態(tài)

（1）棱鏡

棱鏡路線的代表人物，也是唯一走這一條修煉道路的激光雷達(dá)廠商是LIVOX。LIVOX的名聲大噪并不是因?yàn)樗哪腹?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1974/" target="_blank">大疆創(chuàng)新在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的獨(dú)霸武林，而是因?yàn)樵?020年1月直接推出6499元面向自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的激光雷達(dá)Horizon。

LIVOX獨(dú)創(chuàng)的非重復(fù)掃描技術(shù)，在0.1s的積分時(shí)間內(nèi)，掃描覆蓋率與機(jī)械旋轉(zhuǎn)式64線激光雷達(dá)相當(dāng)，而彼時(shí)機(jī)械旋轉(zhuǎn)式64線激光雷達(dá)的平均價(jià)格還在10萬(wàn)元人民幣左右。業(yè)界嘩然，質(zhì)疑、嫉妒與殷羨如潮水般涌來(lái)，都想弄清楚這到底是一類什么樣的神奇物種？

LIVOX的思路也非常簡(jiǎn)單，既然成本主要花在收發(fā)模塊上，那我就從減少他們數(shù)量上著手?？墒菙?shù)量減少，怎么實(shí)現(xiàn)和高線束機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)一樣的點(diǎn)云效果呢？

LIVOX給出的解決方案是采用空間激光通信領(lǐng)域的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡（或稱旋轉(zhuǎn)雙光楔）方案，如圖所示。在此方案中，半導(dǎo)體激光器PLD和雪崩光電探測(cè)器APD固定，雙棱鏡在電機(jī)帶動(dòng)下進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。通過(guò)對(duì)光學(xué)參數(shù)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，可以產(chǎn)生不同角度的折射光線，從而實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)角范圍內(nèi)更高線束的覆蓋。而隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，會(huì)產(chǎn)生出不同的掃描圖案。

圖LIVOX激光雷達(dá)雙棱鏡結(jié)構(gòu)

激光收發(fā)模塊數(shù)量減少了（2021年8月上市的小鵬P5搭載的Livox車規(guī)版激光雷達(dá)HAP只有6組收發(fā)器，但100ms積分時(shí)間里可達(dá)到與144線機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)相同的點(diǎn)云效果），成本相應(yīng)就大幅降低。激光收發(fā)模塊固定，電機(jī)只須帶動(dòng)雙棱鏡旋轉(zhuǎn)，避免了類似傳統(tǒng)機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)的多次裝調(diào)問(wèn)題，量產(chǎn)能力也相應(yīng)得到提高。

剩下就只有車規(guī)這一道關(guān)卡了，因?yàn)橐?組激光收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)與144線機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)相同的點(diǎn)云效果，雙棱鏡在單位時(shí)間就必須玩命的轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)6000r/min。要知道過(guò)了車規(guī)的Scala電機(jī)轉(zhuǎn)速只有600r/min。

電機(jī)的壽命與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成反比，高轉(zhuǎn)速對(duì)軸承及油脂選擇大有講究，這需要大量的耐久試驗(yàn)及超高的工藝水準(zhǔn)，這類基礎(chǔ)工藝也是中國(guó)制造業(yè)普遍欠缺的。

如今三年過(guò)去了，Horizon已從公司主頁(yè)介紹中消失，繼任者HAP在獲得小鵬P5的定點(diǎn)后曾盛極一時(shí)，但很快湮滅在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的鐵蹄下。2023年初，據(jù)宇多田在《一家大廠激光雷達(dá)的暫時(shí)“離場(chǎng)”》文章中報(bào)道：LIVOX已經(jīng)決定暫時(shí)退出車載激光雷達(dá)業(yè)務(wù)線，轉(zhuǎn)向“利潤(rùn)率傾軋沒(méi)那么可怕”的工業(yè)與低速機(jī)器人等業(yè)務(wù)線。

我其實(shí)想不負(fù)責(zé)任的猜測(cè)一下：退場(chǎng)的原因不是利潤(rùn)率，而是棱鏡這條技術(shù)路線適合不了車載領(lǐng)域，遲遲無(wú)法讓產(chǎn)品達(dá)到滿足主機(jī)廠要求的可靠穩(wěn)定，會(huì)讓研發(fā)陷入暗無(wú)天日的忙碌。韜光養(yǎng)晦，我想這是明智的選擇。

（2）轉(zhuǎn)鏡

轉(zhuǎn)鏡賽道就比較熱鬧了，國(guó)外的廠商有Valeo、圖達(dá)通，國(guó)內(nèi)的有禾賽科技、鐳神智能、華為等。且這一技術(shù)路線是最早誕生過(guò)車規(guī)產(chǎn)品的路線，就是Valeo和Ibeo合作研發(fā)的Scala。

2017年量產(chǎn)的第一代4線Scala 1是全球首款通過(guò)車規(guī)級(jí)認(rèn)證的激光雷達(dá)，同年被首發(fā)搭載在奧迪A8上。2021年量產(chǎn)第二代16線Scala 2車規(guī)級(jí)激光雷達(dá)，同年被首發(fā)搭載在全新奔馳S級(jí)轎車上，Scala 2實(shí)物如圖1-3所示。第三代Scala 3正在研發(fā)中，預(yù)計(jì)在2024年量產(chǎn)。

轉(zhuǎn)鏡方案中激光雷達(dá)收發(fā)模塊不動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)掃描鏡圍繞其圓心不斷旋轉(zhuǎn)，從而將激光束反射至空間的一定范圍，其技術(shù)創(chuàng)新方面與機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)類似。在轉(zhuǎn)鏡方案中，存在一面掃描鏡（一維轉(zhuǎn)鏡）、兩面掃描鏡（一縱一橫，二維轉(zhuǎn)鏡）及多面鏡等多種細(xì)分技術(shù)路線。

一維轉(zhuǎn)鏡方案常采用多面體反射鏡，并通過(guò)小電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，從而將激光反射到不同的方向，此方案激光掃描線束依舊與激光雷達(dá)收發(fā)模塊數(shù)量一致，僅是減少機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，比如禾賽科技的AT128。

二維轉(zhuǎn)鏡方案內(nèi)部集成了兩個(gè)轉(zhuǎn)鏡，一個(gè)多邊棱鏡負(fù)責(zé)橫向旋轉(zhuǎn)，一個(gè)負(fù)責(zé)縱向翻轉(zhuǎn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)用一束激光實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向維度上的掃描。此方案可以用更少的激光收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)相同線束掃描效果，比如圖達(dá)通的Falcon。

多面鏡通過(guò)特殊的鏡面設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步減少激光收發(fā)器數(shù)量，在集成難度和成本控制上更有優(yōu)勢(shì)。

轉(zhuǎn)鏡方案相比棱鏡方案，電機(jī)的轉(zhuǎn)速明顯下降，最高只有2000r/min。但仍存在高溫耐久穩(wěn)定性、視場(chǎng)角受限，信噪比低等問(wèn)題。雖然各家推出的產(chǎn)品都說(shuō)是車規(guī)級(jí)，但五年十萬(wàn)公里入門要求估計(jì)還很難達(dá)到，車規(guī)也分三六九等。

（3）MEMS微振鏡

微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）微振鏡本質(zhì)上是一種硅基半導(dǎo)體元器件，其特點(diǎn)是內(nèi)部集成了微型的可繞懸臂梁振動(dòng)的反射鏡，如所示。

圖MEMS微振鏡

微振鏡被上下左右四個(gè)硅懸臂梁掛著，上下短懸臂梁被稱為快軸，左右長(zhǎng)懸臂梁被稱為慢軸。在靜電或電磁驅(qū)動(dòng)下，微振鏡可以在水平和垂直兩個(gè)自由度圍繞懸臂梁做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)水平、垂直兩個(gè)維度掃描。

也正是因?yàn)閼冶哿簷C(jī)械結(jié)構(gòu)的存在，MEMS微振鏡激光雷達(dá)雖然完全沒(méi)有電機(jī)，但還是被劃分在了混合固態(tài)之列。

慢軸的諧振頻率通常為5~30Hz，為了使振動(dòng)幅度大一些，其一般都做得比較細(xì)長(zhǎng)，慢軸變形程度直接與水平視場(chǎng)角關(guān)聯(lián)?？燧S的諧振頻率通常大于1KHz，為了可以實(shí)現(xiàn)這么高的諧振頻率，一般做得又粗又短，快軸變形程度直接與垂直視場(chǎng)角關(guān)聯(lián)。

微振鏡的諧振頻率與掃描頻率正相關(guān)，振動(dòng)幅度與掃描角度正相關(guān)，而掃描頻率和掃描角度之間負(fù)相關(guān)。以某供應(yīng)商的一款MEMS微振鏡產(chǎn)品舉例，鏡面尺寸4X4.6mm，水平掃描角度為40°，垂直掃描角度為30°。所以一般為了實(shí)現(xiàn)水平120°的視場(chǎng)角，多數(shù)廠家選擇拼接激光器的方案，幾個(gè)激光收發(fā)單元共用一組MEMS微振鏡，實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)角掃描。

憑借運(yùn)動(dòng)部件少、可靠性高、掃描頻率快、半導(dǎo)體規(guī)?；a(chǎn)帶來(lái)的成本較低等優(yōu)勢(shì)，2021年底的時(shí)候，MEMS微振鏡激光雷達(dá)迎來(lái)了自己的高光時(shí)刻，國(guó)內(nèi)但凡規(guī)劃有量產(chǎn)激光雷達(dá)車型的車企，80%都選擇了國(guó)內(nèi)一家供應(yīng)商的MEMS微振鏡激光雷達(dá)產(chǎn)品（主要也是其他技術(shù)路線當(dāng)時(shí)沒(méi)有能打的對(duì)手）。

但是這條技術(shù)路線也不是完美無(wú)缺，激光雷達(dá)按照收發(fā)光路來(lái)區(qū)分，可以細(xì)分為同軸和非同軸兩種方案。

同軸方案是指激光器發(fā)射出去的激光和探測(cè)器接收回來(lái)的激光同軸，如圖所示。對(duì)于MEMS微振鏡來(lái)說(shuō)，一種典型技術(shù)方案是：激光器發(fā)射出激光，經(jīng)過(guò)一面穿孔的反射鏡，入射到微振鏡上，經(jīng)微振鏡反射后打到被測(cè)物體后返回，會(huì)再次通過(guò)微振鏡反射給穿孔的反射鏡，從而被探測(cè)器接收。

圖 同軸方案

同軸方案的好處顯而易見(jiàn)，只接收原光路返回的光信號(hào)，因而具有較好抗陽(yáng)光干擾能力；收發(fā)模塊可集成于一處，采用單顆探測(cè)器即可，成本相對(duì)可控。多個(gè)激光器拼接時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)掃描互不干擾。Innoviz，速騰聚創(chuàng)部分產(chǎn)品采用的正是這種方案，其拿下的中國(guó)主機(jī)廠定點(diǎn)數(shù)量，恐怕十個(gè)指頭數(shù)不過(guò)來(lái)。

但是同軸方案中MEMS微振鏡尺寸直接與激光雷達(dá)測(cè)距能力關(guān)聯(lián)，尺寸小，接收反射回來(lái)激光能力就弱，探測(cè)距離就短；尺寸大，接收反射回來(lái)激光能力強(qiáng)，探測(cè)距離長(zhǎng)。為了實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的測(cè)距能力，激光雷達(dá)廠商普遍選擇了更大尺寸的MEMS微振鏡。

但從加工工藝來(lái)說(shuō)，成熟工藝的硅基MEMS微振鏡鏡面直徑1mm左右，其質(zhì)量非常輕，可靠性是沒(méi)問(wèn)題的。但是當(dāng)前激光雷達(dá)中的MEMS微振鏡鏡面直徑普遍在5mm左右，在如此“負(fù)重”下，慢軸和快軸進(jìn)行高頻次大幅度來(lái)回扭轉(zhuǎn)，將會(huì)變得更加容易斷裂，這也是為什么MEMS微振鏡激光雷達(dá)理論上容易過(guò)車規(guī)，但實(shí)際上卻沒(méi)那么容易的原因。

非同軸方案是指激光器發(fā)射出去的激光和探測(cè)器接收回來(lái)的激光不同軸，如圖21所示。這意味著打到被測(cè)物體返回來(lái)的激光不用經(jīng)過(guò)MEMS微振鏡，而是直接進(jìn)入到探測(cè)器中。此種方案中，MEMS微振鏡可以選用更小的尺寸，可靠性會(huì)顯著提高。

圖 非同軸方案

但是該方案為了提高抗陽(yáng)光干擾能力，需要陣列化、性能更優(yōu)的探測(cè)器，系統(tǒng)復(fù)雜度升高、體積較大，成本較高，一徑科技的ML30s補(bǔ)忙激光雷達(dá)選用的就是非同軸方案。

溫度是擺在MEMS微振鏡面前另一座大山。采用硅基半導(dǎo)體工藝的MEMS微振鏡，其線圈都很細(xì)地密布在鏡面背后，導(dǎo)熱性較差。與此同時(shí)，硅基MEMS微振鏡被封閉在激光雷達(dá)的機(jī)殼里面。工作中的激光雷達(dá)，其MEMS微振鏡的工作溫度將比環(huán)境溫度高至少20°，按照車規(guī)-40℃~85℃的要求，MEMS微振鏡的車規(guī)溫度要求要達(dá)到-40℃~105℃。這個(gè)對(duì)當(dāng)前供應(yīng)鏈來(lái)說(shuō)確實(shí)有點(diǎn)困難。

二、固態(tài)

固態(tài)激光雷達(dá)則主要有 OPA和 Flash兩種主流技術(shù)路線。

（1）OPA

光學(xué)上，對(duì)于頻率（波長(zhǎng)）相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定的兩束光，被稱作相干光。相干光在傳輸時(shí)，相互之間會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉。這種干涉，既可以是相長(zhǎng)干涉（如圖左圖），也可以是相消干涉（如圖右圖）。很顯然，相長(zhǎng)干涉可以讓光變得更強(qiáng)。

圖22 光的干涉現(xiàn)象

如果有多路光，在沒(méi)有相位差（等相位）的情況下，發(fā)生相長(zhǎng)干涉，光束的指向垂直于多路光的等相位面向前傳播，如圖最左測(cè)圖所示。如果賦予各路光均勻的相位差θ，那么各路光的等相位平面也將發(fā)生偏轉(zhuǎn)θ，滿足等相位的光發(fā)生相長(zhǎng)干涉，不滿足等相位的光發(fā)生相消干涉，因此光束的指向也發(fā)生了角度為θ的偏轉(zhuǎn)，這就是一維光學(xué)相控陣的掃描原理。

圖光學(xué)相控陣一維掃描原理

如果將這樣的發(fā)光單元組成二維的光束陣列，那么便可以實(shí)現(xiàn)二維光學(xué)相控陣的掃描。

OPA激光雷達(dá)運(yùn)用的就是光的相干原理，將若干激光發(fā)射單元組成發(fā)射陣列，通過(guò)改變加在不同發(fā)射單元上的電壓，改變不同發(fā)射單元發(fā)射光波相位，在設(shè)定方向上產(chǎn)生互相加強(qiáng)的相長(zhǎng)干涉，從而合成具有特定方向、高強(qiáng)度的激光主光束。而其它方向上從各個(gè)發(fā)射單元射出的光波產(chǎn)生相消干涉，輻射強(qiáng)度接近于零。

OPA激光雷達(dá)的一種典型結(jié)構(gòu)如圖所示，激光光源經(jīng)過(guò)分光器后進(jìn)入光波導(dǎo)陣列，在光波導(dǎo)上通過(guò)外加電壓，利用光波導(dǎo)間的光波相位差實(shí)現(xiàn)光束的掃描。

圖 OPA激光雷達(dá)的一種典型結(jié)構(gòu)

OPA激光雷達(dá)是真正的純固態(tài)激光雷達(dá)，所以將在可靠性、穩(wěn)定性、成本、集成度、工藝上具有巨大優(yōu)勢(shì)。此外，OPA激光雷達(dá)還具有幾個(gè)與眾不同的優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以實(shí)現(xiàn)較高的掃描速度，達(dá)到MHz量級(jí)以上；

（2）掃描精度較高，可以做到千分之一度量級(jí)以上；

（3）可控性很好，在允許的角度范圍內(nèi)可以做到任意指向，所以可以任意設(shè)計(jì)感興趣（Region of Interest，ROI）區(qū)域。

但是OPA激光雷達(dá)在封神的道路上還存在一些阻礙：

（1）旁瓣效應(yīng)。OPA激光雷達(dá)形成的主光束稱為主瓣，在主瓣旁邊，由于陣列干擾，還容易形成旁瓣，如圖所示。旁瓣一方面會(huì)分散主瓣能量，影響探測(cè)距離。另一方面為了區(qū)分出主瓣，通常將旁瓣遮掉，而這又將影響視場(chǎng)角。

圖旁瓣示意圖

（2）工藝要求高、加工難度大。光學(xué)相控陣要求陣列單元尺寸必須不大于半個(gè)波長(zhǎng)，對(duì)于905nm波長(zhǎng)激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，這就意味著陣列單元的尺寸必須不大于500nm。而且陣列數(shù)越多，陣列單元的尺寸越小，這就對(duì)加工精度要求更高；

（3）掃描角度有限。目前相位調(diào)節(jié)只能達(dá)到±60°左右。

OPA激光雷達(dá)的代表人物是美國(guó)的Quanergy，公司在2016年就公布了其OPA激光雷達(dá)產(chǎn)品，不過(guò)如今已經(jīng)破產(chǎn)。

（2）Flash

前文介紹的幾種掃描方式激光雷達(dá)，無(wú)論是轉(zhuǎn)鏡、MEMS還是OPA類型，發(fā)射模塊發(fā)射出來(lái)的激光都是線狀的，需要通過(guò)掃描模塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)（分機(jī)械運(yùn)動(dòng)和非機(jī)械運(yùn)動(dòng)）把線變成面打在被測(cè)物體表面，因此掃描模塊是必須的。

但是Flash激光雷達(dá)人如其名，采用的是快閃的非掃描方式，通過(guò)在短時(shí)間直接發(fā)射出一大片激光脈沖（面陣光），再通過(guò)高度靈敏的探測(cè)器接收，完成被測(cè)物體三維圖像的構(gòu)建。不嚴(yán)謹(jǐn)點(diǎn)比喻：Flash激光雷達(dá)就是一個(gè)會(huì)自己發(fā)光的攝像頭。

這個(gè)時(shí)候再拿出禾賽科技招股書中的那張ToF激光雷達(dá)系統(tǒng)圖，如圖所示，掃描模塊部分的虛線就不會(huì)顯得那么突兀了，掃描模塊后括號(hào)里的若有就可以合理解釋了。而Flash激光雷達(dá)就是沒(méi)有掃描模塊，只有發(fā)射模塊和接收模塊。

圖 ToF激光雷達(dá)系統(tǒng)圖

因VCSEL比EEL具備更大的發(fā)光面積，視場(chǎng)角可以做得比較大，更符合泛光成像的特點(diǎn)，因此Flash激光雷達(dá)多選用VCSEL作為激光器；EEL也不是不可以，但需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)去擴(kuò)散EEL發(fā)出來(lái)的激光，因此很少使用。

但是VCSEL功率密度低的缺陷，成為限制Flash激光雷達(dá)探測(cè)距離提升的主要瓶頸。這也是為什么當(dāng)前發(fā)布的Flash激光雷達(dá)產(chǎn)品多以短距為主，但隨著多結(jié)VCSEL激光器技術(shù)的突破，使用VCSEL開(kāi)發(fā)長(zhǎng)距激光雷達(dá)產(chǎn)品將成為可能。

當(dāng)功率密度低遇上泛光成像，從被測(cè)物體返回來(lái)來(lái)的功率密度將更低，而探測(cè)器端也被迫選擇了信噪比更高的探測(cè)器SPAD。

除了激光器和探測(cè)器，F(xiàn)lash激光雷達(dá)的光學(xué)系統(tǒng)和其他類型激光雷達(dá)也有所不同。

其他類型激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)激光器發(fā)射出來(lái)的激光進(jìn)行準(zhǔn)直和整形，來(lái)使得激光發(fā)散角減小且符合使用要求的形狀，接收光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)收集反射后的光能量，并將其匯聚到探測(cè)器的光敏面上，以提高探測(cè)距離。

而Flash激光雷達(dá)要求發(fā)射出去的激光光束盡可能均勻地在整個(gè)視場(chǎng)角內(nèi)擴(kuò)散，因此不需要準(zhǔn)直單，二是需要光束擴(kuò)散器，控制發(fā)射激光視場(chǎng)角從而使變得均勻。Flash激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)相比于其他種類激光雷達(dá)需要具備“大相對(duì)孔徑”和“照度均勻”的特點(diǎn)，但是三種類型激光雷達(dá)所用光學(xué)元器件沒(méi)有太大差異。接收光學(xué)系統(tǒng)的“接收鏡頭組”由多個(gè)球面和非球面透鏡組成，多個(gè)透鏡會(huì)依次改變光束的視場(chǎng)角直至達(dá)到設(shè)計(jì)的HFOV和VFOV。

說(shuō)起Flash激光雷達(dá)廠商，大家首先想到的應(yīng)該是難兄難弟Ibeo和Ouster，但最早開(kāi)始做Flash激光雷達(dá)的的確是大陸集團(tuán)（2016年3月收購(gòu)Flash激光雷達(dá)公司Advanced Scientific Concepts后獲得此項(xiàng)魔法），只不過(guò)參數(shù)太過(guò)樸素罷了。

2017年大陸集團(tuán)發(fā)布第一款Flash激光雷達(dá)SRL121，905nm波長(zhǎng)，27°x11°的視場(chǎng)角，10m的探測(cè)能力，確實(shí)沒(méi)什么姿色。2019年大陸集團(tuán)發(fā)布第二款HFL110，1064nm，120°x30°視場(chǎng)角，22m的探測(cè)能力，姿色見(jiàn)漲也使其獲得豐田氫燃料電池汽車Mirai和雷克薩斯LS500的青睞，用作側(cè)向補(bǔ)盲。

第一篇文章中介紹已破產(chǎn)的Ibeo，2019年發(fā)布的距、短距和近距三款固態(tài)激光雷達(dá)產(chǎn)品，采用的正是Flash技術(shù)路線。

與Ibeo齊名，并與Velodyne已合并的另一家國(guó)外激光雷達(dá)企業(yè)Ouster，在2021年也發(fā)布了Flash激光雷達(dá)，同樣包括短、中、長(zhǎng)三款，里面將使用自研的SPAD探測(cè)器芯片，并計(jì)劃在2025年量產(chǎn)上車。

2022年5月13日，亮道智能面向中國(guó)市場(chǎng)發(fā)布自研的純固態(tài)Flash激光雷達(dá)——LDSense Satellite。

部分已發(fā)布Flash激光雷達(dá)參數(shù)匯總?cè)缦卤?。

表3 部分Flash激光雷達(dá)參數(shù)

04 探測(cè)器之爭(zhēng)

探測(cè)器遵循的處世之道：來(lái)而不往非禮也，激光器發(fā)射出去的激光、由探測(cè)器進(jìn)行回禮接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。這個(gè)處世之道的理論基礎(chǔ)就是光電效應(yīng)，而這個(gè)效應(yīng)卻源于一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)。

1886年，海因里希·赫茲（Heinrich Rudolf Hertz），就是那個(gè)用實(shí)驗(yàn)證明電磁波存在的男人，就是頻率單位以他名字命名的男人，正在為證實(shí)麥克斯韋的電磁理論而專心致志地做電火花放電試驗(yàn)。

赫茲的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，主要包含電火花發(fā)生器和電火花接收器兩部分組成。在開(kāi)關(guān)閉合，電壓上升到2萬(wàn)伏之后，兩個(gè)小球之間的空氣就會(huì)被擊穿，產(chǎn)生藍(lán)色電火花，同時(shí)引發(fā)一個(gè)向外傳播的電磁波。而在不遠(yuǎn)處的接收器將感應(yīng)出一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，同樣也在接收器的小球間產(chǎn)生電火花。

圖 赫茲試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

證實(shí)了電磁波存在之后，赫茲又開(kāi)始通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究起了電磁波的性質(zhì)，一次偶爾的機(jī)會(huì)，赫茲用紫外線照射接收器，發(fā)現(xiàn)接收器兩個(gè)小球間更容易產(chǎn)生電火花且電火花更亮。1887年，赫茲在《物理學(xué)年鑒》上發(fā)表了題為《論紫外光對(duì)放電的影響》的論文，揭開(kāi)了光電效應(yīng)研究的序幕。

后來(lái)這一現(xiàn)象引起了眾多物理學(xué)家的關(guān)注，并在經(jīng)年累月的試驗(yàn)研究后，還原了這一效應(yīng)的本來(lái)面目。

激光器章節(jié)我們介紹過(guò)，物質(zhì)都是由原子組成，而原子是由原子核和繞核運(yùn)動(dòng)的電子組成。但這個(gè)電子不是一個(gè)安分的家伙，在吸收部分能量變得強(qiáng)大之后就會(huì)嘗試掙脫原子核的束縛選擇逃逸，逃逸所需的最小能量被稱為逸出功。

所以當(dāng)外界有一個(gè)光子經(jīng)過(guò)電子時(shí)，且光子能量大于電子逃逸所需的逸出功時(shí)，電子便有一定概率可以掙脫原子核的束縛，逃逸成為一個(gè)光電子，并留下孤獨(dú)的空穴，此過(guò)程產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)被稱為光生載流子，這個(gè)過(guò)程被稱為碰撞電離。

需要注意的是，當(dāng)經(jīng)過(guò)的光子能量恰好等于電子兩能級(jí)之差時(shí)，電子吃掉光子后會(huì)由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，也就是激光器之爭(zhēng)部分介紹的受激吸收，電子只是發(fā)生能級(jí)變化，并不能脫離原子核束縛變成自由電子。

光子的能量由光的頻率決定，能使物質(zhì)中電子逃逸出來(lái)的光子頻率稱為該物質(zhì)的截止頻率或極限頻率，所以只有當(dāng)照射物體的光子頻率大于這一極限頻率時(shí)，才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。

一、光電二極管

激光探測(cè)器正是利用光電效應(yīng)將光轉(zhuǎn)換為電的一種高靈敏度的半導(dǎo)體電子設(shè)備，主要部件就是光電二極管（photodiode，PD）。普通二極管我們比較熟悉，最常見(jiàn)的是由一個(gè)PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線及管殼封裝而成，具有單向?qū)щ娦?，加上正向電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通， 加上反向電壓時(shí)，二極管截止。

PD與普通半導(dǎo)體二極管類似，只不過(guò)PD工作在反向電壓下，且可以暴露在外，通過(guò)窗口或光纖連接進(jìn)行封裝，從而使光到達(dá)器件的感光部分。

與此同時(shí)，PD最常使用的不是PN結(jié)，而是PIN結(jié)。PIN結(jié)相比于PN結(jié)，中間多了一個(gè)I層，I層是摻雜濃度很低的一層N型半導(dǎo)體，由于濃度低的近乎本征（Intrinsic）半導(dǎo)體，故稱I層。

I層較厚，幾乎占據(jù)了整個(gè)耗盡區(qū)。絕大部分的入射光子在I層被吸收并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)（光生載流子）。在I層兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，P層和N層很薄，吸收入射光子的比例很小，產(chǎn)生少量的光生載流子。

這種結(jié)構(gòu)可以大大加快光電效應(yīng)的響應(yīng)速度，但是過(guò)大的耗盡區(qū)寬度將延長(zhǎng)光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的漂移時(shí)間，反而導(dǎo)致響應(yīng)變慢，因此耗盡區(qū)寬度要合理選擇。通過(guò)控制耗盡區(qū)的寬度可以改變PIN結(jié)二極管的響應(yīng)速度。

在實(shí)際使用中，根據(jù)反向偏置電壓的不同，PD可以工作在三種不同的模式下，即線性模式、比例模式和蓋革模式，其中比例模式和蓋革模式合起來(lái)就是我們說(shuō)的雪崩模式。普通PD工作在線性模式下，APD和SPAD工作在雪崩模式，如圖所示。

圖PD三種工作模式

普通PD沒(méi)有光照時(shí)，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流。當(dāng)有光照時(shí)，光子能量被普通PD中的電子吸收，逃逸出來(lái)成為光電子，使反向電流線性增大，如圖所示。

圖 PD結(jié)構(gòu)及工作原理

二、雪崩光電二極管（Avalanche photodiode，APD）

APD工作在雪崩模式下的比例模式，如上面圖3所示，表現(xiàn)出有限的增益。

當(dāng)APD兩端反向偏置電壓高于雪崩電壓小于擊穿電壓VBD時(shí)，耗盡區(qū)的電場(chǎng)大小可以使得電子達(dá)到離化的閾值。在合適的光子照射下，I區(qū)電子吸收能量逃逸出來(lái)產(chǎn)生光電子，這個(gè)光電子在電場(chǎng)作用下移動(dòng)，會(huì)去碰撞其他的原子，從而產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，如此連鎖反應(yīng)，就像是雪崩了一樣，因此被稱為雪崩模式，如圖所示。

圖 PAD結(jié)構(gòu)及工作原理

在雪崩模式下，APD電流與電壓呈比例關(guān)系，具備高增益（1-103倍），在光子照射下電壓很小的變化也會(huì)導(dǎo)致電流發(fā)生較大變化。因此APD是一種靈敏的測(cè)量光強(qiáng)的方法，但此靈敏度還不足以檢測(cè)單個(gè)光子。

三、單光子雪崩二極管（Single photon avalanche diode，SPAD）

SPAD工作在雪崩模式下的蓋革模式，如上面圖3所示，此時(shí)SPAD表現(xiàn)出無(wú)限的增益。

當(dāng)SPAD兩端反向偏置電壓高于擊穿電壓VBD時(shí)，耗盡區(qū)的電場(chǎng)大小不僅可以使得耗盡區(qū)電子達(dá)到離化的閾值，而且也將使空穴達(dá)到離化的閾值，這意味著除了光電子能夠移動(dòng)去碰撞其他原子，產(chǎn)生的空穴也將反向移動(dòng)去碰撞其他原子，如此循環(huán)反饋，引發(fā)自我維持的雪崩，如圖所示。

圖SPAD結(jié)構(gòu)及工作原理

在蓋革模式下，SPAD理論上增益可以達(dá)到無(wú)限大，因此SPAD是一種更靈敏的測(cè)量光強(qiáng)的方法，靈敏到可以檢測(cè)單個(gè)光子。

由SPAD工作原理可知道，上述雪崩過(guò)程是自維持的，也就是說(shuō)若沒(méi)有外界干擾，雪崩將會(huì)一直持續(xù)下去。那么將產(chǎn)生兩個(gè)問(wèn)題，持續(xù)毫安級(jí)的大電流流經(jīng)設(shè)備，會(huì)將設(shè)備燒毀；二是無(wú)法區(qū)分不同時(shí)間間隔到來(lái)的光子。

解決上述問(wèn)題的一個(gè)方法就是淬滅電路，最簡(jiǎn)單的一種淬滅電路如圖所示，通過(guò)在SPAD串聯(lián)一個(gè)千歐量級(jí)的大電阻。當(dāng)SPAD內(nèi)部發(fā)生雪崩產(chǎn)生大電流后，大電阻的分壓作用將使SPAD兩端的偏壓降級(jí)，使其無(wú)法繼續(xù)發(fā)生雪崩。

圖 SPAD一種淬滅電路

雪崩過(guò)程被終止后，SPAD兩端的偏壓將會(huì)以較快的速度開(kāi)始充電過(guò)程，再將電壓提高到可以觸發(fā)雪崩模式的大小，等待下次光子觸發(fā)。如此循環(huán)往復(fù)，形成與光信號(hào)對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)。如果將SPAD的輸出連接到電壓鑒別器，就能產(chǎn)生一個(gè)從邏輯0到0的數(shù)字信號(hào)輸出，表示單個(gè)光子的到達(dá)。

結(jié)合圖我們?cè)賮?lái)詳細(xì)說(shuō)明一下淬滅的過(guò)程，給SPAD加載使其處于擊穿態(tài)的偏置電壓VBR，并處于亞穩(wěn)態(tài)A點(diǎn)，在此狀態(tài)下下，當(dāng)有光子照射時(shí)，引起雪崩效應(yīng)，從而出現(xiàn)電流脈沖（點(diǎn)A到B）。在淬滅電路作用下，偏置電壓由B復(fù)位到C。而后經(jīng)過(guò)充電過(guò)程，反向偏置電壓將由C恢復(fù)到A，SPAD再次準(zhǔn)備探測(cè)單個(gè)光子。

圖 淬滅工作過(guò)程

四、優(yōu)缺點(diǎn)比較

（1）探測(cè)光子量級(jí)。如圖所示，APD最小探測(cè)的光子量級(jí)在 103，所以對(duì)于長(zhǎng)距低反只有幾十個(gè)光子返回的被測(cè)物體，APD無(wú)能為力。SPAD是單光子探測(cè)器，只需要一個(gè)光子但也至多檢測(cè)一個(gè)光子，因?yàn)槊看喂庾佑|發(fā)雪崩之后，需要幾個(gè)納秒的死區(qū)時(shí)間來(lái)準(zhǔn)備下一次檢測(cè)，所以SPAD的最大基數(shù)率有限制，大約100MHz。

圖 探測(cè)所學(xué)光子量級(jí)比較

（2）連續(xù)信號(hào)采集。APD無(wú)死區(qū)時(shí)間，可以對(duì)光照進(jìn)行連續(xù)信號(hào)采集，連續(xù)接收信號(hào)光。但是SPAD存在死區(qū)時(shí)間，即觸發(fā)一次雪崩后，需要進(jìn)行淬滅及充電，所需的死區(qū)時(shí)間從從幾納秒到一微秒不等。在死區(qū)時(shí)間里，SPAD對(duì)光不再敏感，無(wú)法接收光子，因此無(wú)法對(duì)光照進(jìn)行連續(xù)信號(hào)采集。

（3）抗環(huán)境光干擾。APD需要由多光子觸發(fā)，雖沒(méi)有那么靈敏但也受環(huán)境光干擾較小。SPAD可由單光子觸發(fā)，靈敏的同時(shí)也較容易受到環(huán)境光及其他激光雷達(dá)的干擾。

（4）集成難度。硅基SPAD的一大優(yōu)點(diǎn)就是CMOS兼容性，即SPAD和電路可以在同一晶片上實(shí)現(xiàn)，易于制作高分辨率的密集陣列且成本較低。而APD屬于分立器件，想要用作陣列就會(huì)加大自身尺寸且價(jià)格較高。

（5）光電增益高。SPAD的光電增益可以說(shuō)是無(wú)限的，高增益讓SPAD更為敏感，可以檢測(cè)出單個(gè)光子。而APD的光電增益是有限的，無(wú)法對(duì)單光子進(jìn)行檢測(cè)。

（6）時(shí)間精度高。SPAD的時(shí)間精度可達(dá)100ps，信號(hào)傳輸速度快。

五、小結(jié)

因?yàn)槿刖珠T檻太高，所以研發(fā)SPAD的企業(yè)數(shù)量少、產(chǎn)品稀缺，核心技術(shù)還是掌握在國(guó)外供應(yīng)商手里。目前市面上真正可以看到的車規(guī)級(jí)傳感器，只有安森美的Padion SPAD和索尼的IMX459，而在中國(guó)市場(chǎng)，阜時(shí)科技、靈明光子、芯輝科技、宇稱電子等也在布局研發(fā)SPAD，主要專注的市場(chǎng)還是在機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域，部分企業(yè)開(kāi)始推出車載產(chǎn)品。

05 測(cè)距方式之爭(zhēng)

測(cè)距方式是激光雷達(dá)更高維度的分類方式，針對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)討論更是絡(luò)繹不絕。

按照測(cè)距方式不同，激光雷達(dá)主要分為飛行時(shí)間法（Time of Flight，ToF）與調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）法兩類。

ToF法是目前量產(chǎn)激光雷達(dá)的絕大多數(shù)選擇，F(xiàn)MCW法僅有極少數(shù)廠家可以提供量產(chǎn)產(chǎn)品。

一、ToF

在ToF方法中，激光器在短時(shí)間間隔內(nèi)一個(gè)接一個(gè)地發(fā)射多個(gè)激光脈沖，如圖所示。

圖 ToF激光雷達(dá)激光脈沖

激光脈沖打到物體后返回，探測(cè)器檢測(cè)到回波后，內(nèi)部處理單元計(jì)算發(fā)送和接收之間時(shí)間差，并基于公式距離=光速x時(shí)間差來(lái)計(jì)算激光雷達(dá)與被測(cè)物體之間距離，測(cè)距原理如圖所示。

圖 ToF激光雷達(dá)測(cè)距原理圖

二、FMCW

FMCW激光雷達(dá)雖然近兩年才開(kāi)始在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域走紅，但它的身份其實(shí)是個(gè)60后，1967年誕生于麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室。

與ToF激光雷達(dá)發(fā)射脈沖激光束不同，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)發(fā)射的是調(diào)頻連續(xù)激光束，同時(shí)分成兩束，一束留在本地作為本振光，一束發(fā)射出去。而通過(guò)相干檢測(cè)的方式，測(cè)量回波信號(hào)與本振光之間由距離延時(shí)引入的調(diào)制頻率差和相對(duì)速度引入的多普勒頻率差，可以求出被測(cè)物體的距離與速度。

FMCW激光雷達(dá)常用的調(diào)頻方式有三角波形式、鋸齒波形式和正弦形式，如圖所示。周期T稱為信號(hào)重復(fù)時(shí)間，頻率的變化范圍稱為調(diào)制帶寬B。

圖 FMCW激光雷達(dá)常用的三種調(diào)頻方式

FMCW激光雷達(dá)可以根據(jù)測(cè)量目的不同，選擇不同的調(diào)制方式。比如與被測(cè)物體之間多普勒效應(yīng)可以忽略的場(chǎng)景，可以選用鋸齒波調(diào)制方式，從而實(shí)現(xiàn)更大的探測(cè)距離。而如果想要實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)距和測(cè)速，且更容易解調(diào)出多普勒頻移，三角波調(diào)制方式是個(gè)不錯(cuò)的選擇，三角波調(diào)制方式也是車載FMCW激光雷達(dá)最常使用的方式。

下面我們以三角波調(diào)制方式為例，介紹FMCW激光雷達(dá)的測(cè)距和測(cè)速原理。

發(fā)射出去的調(diào)頻連續(xù)激光束，在打到被測(cè)物體后，由于多普勒效應(yīng)，會(huì)發(fā)生頻率變化，假設(shè)被測(cè)物體正在朝遠(yuǎn)離激光雷達(dá)的方向運(yùn)動(dòng)，那么回波信號(hào)的頻率將下降。由于多普勒效應(yīng)導(dǎo)致回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間頻率出現(xiàn)的差值稱為多普勒頻移fd，如圖所示。

圖多普勒頻移

此外，由于激光雷達(dá)和被測(cè)物體之間有一段距離，信號(hào)傳輸需要一定時(shí)間，因此存在因距離延時(shí)引入的調(diào)制頻率差fr，如圖所示。

圖 調(diào)制頻率差

當(dāng)多普勒效應(yīng)遇上距離延時(shí)，兩種作用疊加在一起，就變成圖所示的效果。

圖多普勒效應(yīng)遇上距離延時(shí)綜合作用

由圖6可以看出，在頻率上升沿t1時(shí)刻產(chǎn)生的頻率差為Δf1=fr+fd，在頻率下降沿t1時(shí)刻產(chǎn)生的頻率差為Δf2=fr-fd，聯(lián)立方程組即可求出fr和fd。

對(duì)于發(fā)射信號(hào)來(lái)說(shuō)，其頻率變化速率為2B/T，則距離延時(shí)用頻率差除以頻率變化速度即可求出。

有了距離延時(shí)，再乘以光速c，便可以求出與被測(cè)物體的距離R。

最后根據(jù)多普勒公式，還可以求出被測(cè)物體的速度。

三、對(duì)比

FMCW激光雷達(dá)被稱為激光雷達(dá)領(lǐng)域皇冠上的明珠，與ToF類型激光雷達(dá)在以下性能上有著明顯的區(qū)別。

（1）抗串?dāng)_及干擾能力

串?dāng)_可能來(lái)自其他車輛上的激光雷達(dá)、也可能來(lái)自自身車輛的其他其他激光雷達(dá)；干擾主要來(lái)自環(huán)境光。

ToF類型激光雷達(dá)發(fā)出去的激光脈沖和接收的激光脈沖，原本就是一束，波長(zhǎng)一樣的。將來(lái)如果有特別多的車裝有激光雷達(dá)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一樣，那么就很難識(shí)別是自己發(fā)射出去激光脈沖的回波，還是其他車激光雷達(dá)發(fā)射的激光脈沖。

解決這個(gè)問(wèn)題常見(jiàn)的做法是對(duì)每一束激光脈沖進(jìn)行單獨(dú)編碼，保證不同激光雷達(dá)發(fā)射的脈沖是不可重復(fù)的、不可變化的真隨機(jī)發(fā)射脈沖序列，也就是每一束激光脈沖都是獨(dú)一無(wú)二的。不過(guò)，編碼會(huì)導(dǎo)致信噪比下降，進(jìn)而犧牲測(cè)距能力。

此外，同一輛車上的兩個(gè)相鄰ToF類型激光雷達(dá)A和B，如果安裝位置比較湊巧，激光雷達(dá)A發(fā)射的激光脈沖經(jīng)過(guò)漫反射之后被激光雷達(dá)B接收。這個(gè)時(shí)候也存在較小的概率使激光雷達(dá)B無(wú)法分辨是自己發(fā)射的激光脈沖的回波還是旁邊激光雷達(dá)A的回波。

對(duì)于此類問(wèn)題，可以通過(guò)加裝時(shí)鐘同步模塊，將同一輛車上的所有激光雷達(dá)的掃描動(dòng)作與同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)保持同步。在發(fā)射器發(fā)射一個(gè)激光脈沖后，在同步時(shí)鐘的計(jì)算下，探測(cè)器延后一定時(shí)間進(jìn)行接收，隨后關(guān)閉。如果在此時(shí)間接收不到，則認(rèn)為丟點(diǎn)。此方法能盡量避免相鄰雷達(dá)激光脈沖漫反射的影響。

與此同時(shí)，ToF類型激光雷達(dá)，基于直接探測(cè)的原理，直接測(cè)量激光脈沖的回波信號(hào)，探測(cè)器本身不具備區(qū)別進(jìn)入探測(cè)器的回波是自身發(fā)出激光脈沖的回波還是環(huán)境光。因此當(dāng)激光雷達(dá)視窗直面陽(yáng)光，如果處理得不好，很容易在激光點(diǎn)云中出現(xiàn)雪花一樣的噪點(diǎn)。

如果對(duì)陽(yáng)光更敏感的1550nm激光發(fā)射器開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用在ToF類型激光雷達(dá)后，這個(gè)問(wèn)題將更加嚴(yán)重。這個(gè)問(wèn)題可以從系統(tǒng)和算法兩個(gè)層面去優(yōu)化，系統(tǒng)層面可以通過(guò)各種濾波片來(lái)對(duì)抗干擾，也可以把焦距做得更長(zhǎng)使其接觸更少的陽(yáng)光，但是將犧牲視場(chǎng)角；算法層面可以加入接收回波與發(fā)射脈沖的能量對(duì)比策略，忽略能量較小的陽(yáng)光干擾。

而對(duì)于FMCW激光雷達(dá)，采用的是相干檢測(cè)技術(shù)，回波信號(hào)會(huì)被本振光（激光器留在本地的一部分激光）放大，這個(gè)放大倍數(shù)是非常高的，放大后的信號(hào)處理起來(lái)就非常方便。而且，F(xiàn)MCW利用的是一個(gè)很窄頻的激光器，頻率在100kHz量級(jí)，相當(dāng)于要在百萬(wàn)分之一納米這么窄的一個(gè)光譜上跟自己做混頻，其他跟這個(gè)頻率不吻合的信號(hào)都會(huì)過(guò)濾掉，同頻的情況只會(huì)發(fā)生在百萬(wàn)分之一納米的范圍內(nèi)，在今后即使很多車輛都搭載激光雷達(dá)的狀態(tài)下互擾的概率就非常低。

對(duì)于干擾，雖然環(huán)境光是廣譜的光，但FMCW只會(huì)接收自己發(fā)出去頻率相同或相近的光，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)內(nèi)置的光源的強(qiáng)度要比反射進(jìn)來(lái)的陽(yáng)光強(qiáng)度高至少三個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，陽(yáng)光對(duì)它的影響基本可以忽略不計(jì)。此外，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)的濾波片很小很小（ToF激光雷達(dá)的濾波片帶寬有20-30納米，而FMCW激光雷達(dá)的濾波片帶寬則在0.01納米以內(nèi)。），因此抗干擾能力很強(qiáng)。

（2）測(cè)速能力

FMCW基于多普勒效應(yīng)，可以直接提供被測(cè)物體的實(shí)時(shí)速度信息。ToF雖然也可以輸出速度信息，但需要多幀距離信息去求導(dǎo)，帶來(lái)的延遲在一些場(chǎng)景下具有不可忽視的危害。

比如路邊車門突然打開(kāi)，下來(lái)一個(gè)人，俗稱“開(kāi)門殺”。ToF激光雷達(dá)則通常需要2-3秒才能識(shí)別出來(lái)，這個(gè)反應(yīng)時(shí)間在緊急情況下，顯然有點(diǎn)長(zhǎng)了。而對(duì)于FMCW激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，一幀就可以識(shí)別出來(lái)。

還有一個(gè)場(chǎng)景，就是“鬼探頭”，車輛行駛過(guò)程中，前方行人突然從停著的車輛前出現(xiàn)，這個(gè)人的身體大部分都被車子擋住，只露了個(gè)頭出來(lái)，但即使是這么小的一個(gè)頭，F(xiàn)MCW也能馬上識(shí)別。

（3）信噪比

信噪比（Signal-to-noise Ratio，SNR），指的是系統(tǒng)中信號(hào)與噪聲的比。對(duì)于激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，信噪比越高，意味著收到的回波信號(hào)中，有用成分越高，干擾分量越少。

上文已介紹，ToF激光雷達(dá)對(duì)其他激光雷達(dá)發(fā)出去的激光、環(huán)境光等都容易誤識(shí)別為自己發(fā)射出去激光的回波，因而信噪比低。而FMCW激光雷達(dá)基于相干檢測(cè)的方式，信噪比高3~4個(gè)數(shù)量級(jí)。

（4）遠(yuǎn)距離測(cè)量能力

探測(cè)距離更遠(yuǎn)，是FMCW激光雷達(dá)具有爭(zhēng)議的一項(xiàng)能力。

對(duì)于一款250m@10%探測(cè)能力的1550nm激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，不是說(shuō)250m外10%的被測(cè)物體全都探測(cè)不到，而是指原本要返回100個(gè)點(diǎn)云，現(xiàn)在僅返回了1個(gè)點(diǎn)云，考慮到ToF激光雷達(dá)的信噪比，這樣的點(diǎn)還是歸類為噪點(diǎn)濾掉比較好。

而對(duì)于1550nm FMCW激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，雖然僅返回了一個(gè)點(diǎn)云，但是此點(diǎn)云帶有速度信息且考慮到FMCW激光雷達(dá)信噪比高，所以你是可以相信我這個(gè)點(diǎn)的。

這是FMCW可以不區(qū)分反射率達(dá)到500m探測(cè)能力的原因，但其實(shí)在我內(nèi)心，僅憑一兩個(gè)帶速度信息的點(diǎn)就相信前面有物體，還是膽子大了一點(diǎn)。

（5）芯片化

芯片化被認(rèn)為是激光雷達(dá)的終極產(chǎn)品形態(tài)，也是激光雷達(dá)廠商構(gòu)筑起技術(shù)壁壘的護(hù)城河。在這一理想指引下，ToF激光雷達(dá)已經(jīng)做了一些有益的嘗試，比如部分廠商已經(jīng)將激光器和探測(cè)器分別芯片化，但如何將光學(xué)部件及掃描模塊也實(shí)現(xiàn)芯片化，是擺在行業(yè)面前的一道難題。

而FMCW激光雷達(dá)的最大的好處之一就是可以基于硅光技術(shù)實(shí)現(xiàn)集成，激光器、探測(cè)器、掃描模塊不僅可以芯片化，還有可能設(shè)計(jì)成一個(gè)SOC，理想狀態(tài)下甚至連光學(xué)部件也能實(shí)現(xiàn)芯片化，因此FMCW具有更徹底芯片化的潛質(zhì)。

（6）成本

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，F(xiàn)MCW更徹底的芯片化潛質(zhì)，在大規(guī)模出貨后，將展現(xiàn)出巨大的成本優(yōu)勢(shì)。但在當(dāng)前，無(wú)論是1550nm激光器、光學(xué)元器件還是電子元器件的高成本，都讓FMCW激光雷達(dá)比ToF激光雷達(dá)更貴。

四、行業(yè)

FMCW激光雷達(dá)雖然具有遠(yuǎn)大的前景，但受制于上下游技術(shù)瓶頸，目前尚未有量產(chǎn)的產(chǎn)品。目前走在研發(fā)前列的多為國(guó)外公司，包括Mobileye、Avea、Aurora（收購(gòu)了Blackmore和OURS）等。

值得一提的是，Aeva在2022年2月發(fā)布（預(yù)計(jì)2024年量產(chǎn)）第三代FMCW激光雷達(dá)Aareis II，已經(jīng)成功將激光器、探測(cè)器和光學(xué)部件集成到一塊只要硬幣大小的芯片上。

國(guó)內(nèi)公司像洛微科技、光勺科技、擎感光子等也在積極布局。

06 主流激光雷達(dá)產(chǎn)品介紹

前面五篇文章，筆者詳細(xì)介紹了激光雷達(dá)不同技術(shù)路線的工作原理，而用這些技術(shù)路線組合出來(lái)的主流產(chǎn)品具有什么樣的性能，其實(shí)是主機(jī)廠更關(guān)心的話題。

從市場(chǎng)份額來(lái)看，禾賽科技、速騰聚創(chuàng)、圖達(dá)通無(wú)疑是激光雷達(dá)行業(yè)的頭部三熊，各家的主流產(chǎn)品AT128、RS-Lidar-M1和Falcon已經(jīng)得到部分主機(jī)廠管理層的認(rèn)可，本篇文章，筆者就對(duì)這三款產(chǎn)品進(jìn)行一個(gè)基本介紹。

01 禾賽科技AT128

AT128是禾賽科技在2021年8月份推出的一款混合固態(tài)激光雷達(dá)產(chǎn)品，首發(fā)車型為2022年6月上市的理想L9。其核心的性能參數(shù)如表4所示。

表4 AT128核心性能參數(shù)

AT128人如其名，有128個(gè)貨真價(jià)實(shí)的激光器，我們知道，激光器成本在激光雷達(dá)整個(gè)成本里占大頭，別人用五六個(gè)，你用一百多個(gè)，成本上如何找到最優(yōu)解呢。禾賽科技給出的解決方案是芯片化，通過(guò)半導(dǎo)體工藝將芯片陣列化，圖43藍(lán)色矩形框框起來(lái)的部分就是128個(gè)激光器的芯片陣列化方案。陣列化方案可以減少產(chǎn)線裝配時(shí)間、光路調(diào)整時(shí)間，從而提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

圖 AT128 激光器陣列化方案

目前半導(dǎo)體激光器有兩種，EEL和VSCEL，VSCEL激光器垂直襯底表面發(fā)光，特別適合利用半導(dǎo)體工藝實(shí)現(xiàn)大規(guī)模發(fā)光陣列。從部分自媒體的拆解報(bào)告來(lái)看，AT128里面使用的是Lumentum峰值功率為70W、波長(zhǎng)為905nm的VCSEL激光器，型號(hào)應(yīng)該是M51-100。

但是VCSEL的缺點(diǎn)是功率密度低，比EEL低一個(gè)數(shù)量級(jí)，而在功率密度低而想提高探測(cè)距離的就只能選用效率及靈敏度更高為探測(cè)器，為此AT128里選用的是SiPM探測(cè)器。

AT128掃描模塊為轉(zhuǎn)鏡方案，因?yàn)橛袑?shí)實(shí)在在的128個(gè)激光器，所以只需要一維轉(zhuǎn)鏡即可，負(fù)責(zé)水平視場(chǎng)角掃描。

02 圖達(dá)通Falcon

Falcon是圖達(dá)通和蔚來(lái)在2021年1月NIO Day上聯(lián)合推出的一款混合固態(tài)激光雷達(dá)產(chǎn)品，首發(fā)車型為2022年3月上市的蔚來(lái)ET7，其核心的性能參數(shù)如表3所示。

表5 Falcon核心性能參數(shù)

我們先從圖達(dá)通2019年在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)的一份專利《用于LIDAR系統(tǒng)的二維操縱系統(tǒng)》來(lái)整體了解一下這款激光雷達(dá)采用的技術(shù)路線。

如圖所示，整個(gè)系統(tǒng)包含光源706，掃描光學(xué)器件712，可旋轉(zhuǎn)多面棱體702和探測(cè)器712。

圖 專利《用于LIDAR系統(tǒng)的二維操縱系統(tǒng)》中附圖

光源和探測(cè)器數(shù)量可以是一個(gè)或多個(gè)，掃描光學(xué)器件可以是鏡式檢流計(jì)、旋轉(zhuǎn)鏡或光柵中的任意一種，主要作用是將光源發(fā)射的一個(gè)或多個(gè)光信號(hào)反射到旋轉(zhuǎn)多面棱體上。掃描光學(xué)器件采用傾斜的方式并以一定方向來(lái)掃描光源的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)。

可旋轉(zhuǎn)多面棱體具有任意數(shù)量的反射面，可以是6/8/10/20……個(gè)?？尚D(zhuǎn)多面棱體基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞著軸線703旋轉(zhuǎn)，以沿著垂直于旋轉(zhuǎn)軸線方向掃描從光源遞送過(guò)來(lái)的光信號(hào)。

掃描光學(xué)器件用來(lái)負(fù)責(zé)垂直方向掃描，可旋轉(zhuǎn)多面棱體負(fù)責(zé)水平方向掃描。發(fā)射出去的光信號(hào)在708區(qū)域內(nèi)擊中對(duì)象發(fā)生散射后，返回的光信號(hào)返回到旋轉(zhuǎn)多面棱體上，反射回到掃描光學(xué)器件，并由透鏡710聚焦到探測(cè)器712上。

接下來(lái)我們就看一下部分自媒體的拆解分析。

從實(shí)物拆解來(lái)看，F(xiàn)alcon光源部分采用了一個(gè)1550nm的光纖激光器，這也是最遠(yuǎn)500m，10%反射率下250m測(cè)距能力的基礎(chǔ)。掃描模塊采用振鏡+棱鏡的技術(shù)方案，振鏡（非MEMS微振鏡）在擺動(dòng)電機(jī)的作用下負(fù)責(zé)垂直25°范圍內(nèi)的掃描，棱鏡采用的是五邊形，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的作用下負(fù)責(zé)水平120°范圍內(nèi)的掃描。

振鏡+棱鏡的組合也讓Falcon具有動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)感興趣區(qū)域（Region of Interest，ROI）的能力，通過(guò)降低振鏡擺動(dòng)電機(jī)在某一角度區(qū)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)速度，可以讓垂直角度范圍內(nèi)掃描點(diǎn)更密集，棱鏡的轉(zhuǎn)速雖然是恒定不變的，但是通過(guò)周期性提升激光器點(diǎn)頻，也能在特定的水平視場(chǎng)角內(nèi)讓掃描電更密集，ROI掃描示意圖如圖所示。

圖 Falcon ROI掃描示意圖（來(lái)源中信證券）

通過(guò)此種調(diào)節(jié)，ROI點(diǎn)云密度可以做到非ROI點(diǎn)云密度的6倍，ROI區(qū)域的角度分辨率也可以達(dá)到0.06°x0.06°。

由于光線激光器的功率密度足夠，F(xiàn)alcon探測(cè)器選用了普通的APD探測(cè)器，這也是該省省、該花花。

03 速騰聚創(chuàng)RS-Lidar-M1

M1是速騰聚創(chuàng)2018年1月在美國(guó)CES展上推出的一款混合固態(tài)激光雷達(dá)產(chǎn)品，只不過(guò)當(dāng)時(shí)還是工程樣機(jī)階段，后經(jīng)過(guò)兩年的打磨，SOP版本于2020年1月推出，首發(fā)車型為2022年9月上市的小鵬G9。其核心的性能參數(shù)如表3所示。

表6 M1核心性能參數(shù)

2021年是M1這顆激光雷達(dá)的高光時(shí)刻，到這一年的年底，共獲得約40余款車型定點(diǎn)，成為當(dāng)時(shí)拿到車企前裝定點(diǎn)最多的激光雷達(dá)企業(yè)，后來(lái)禾賽科技AT128量產(chǎn)后，這一局面才被打破。下面筆者從民生電子拆機(jī)報(bào)告里，匯總一些M1核心零部件信息。

激光器類型為EEL，數(shù)量為5個(gè)，供應(yīng)商為歐司朗。掃描模塊為MEMS微振鏡，鏡面尺寸5mm左右，供應(yīng)商為希景科技。其掃描示意圖如圖46所示，由六個(gè)區(qū)域拼接而成。探測(cè)器類型為SiPM，供應(yīng)商為安森美。處理器為賽靈思的FPGA方案，型號(hào)為：XAZU2EG。

圖 MI掃描示意圖（來(lái)源中信證券）

04 總結(jié)

2024年1月份的美國(guó)CES展上，禾賽科技推出了物理512線超高清超遠(yuǎn)距激光雷達(dá)AT512，速騰聚創(chuàng)發(fā)布了940nm超長(zhǎng)距激光雷達(dá)M3，圖達(dá)通聯(lián)手Wideye推出了一種創(chuàng)新的車內(nèi)激光雷達(dá)解決方案，法雷奧祭出了性能卓越的SCALA 3，Aeva推出首款可量產(chǎn)汽車級(jí)FMCW 4D激光雷達(dá)Atlas……

審核編輯：黃飛