揭秘各種車規(guī)激光雷達背后的技術(shù)支撐

安森美半導體和艾邁斯半導體都用紅外技術(shù)和dToF測距；而Sense和艾邁斯半導體又不約而同采用了VCSEL；三家公司都采用面陣閃光；只有SiPM是個唯一，那就是安森美半導體。值得一提的是，安森美半導體的激光雷達探測器單點、線陣和面陣都有，客戶可以各取所需。

別以為特斯拉要上激光雷達。

前不久，佛羅里達州棕櫚灘，一輛特斯拉Model Y車頂架上了Luminar激光雷達，使后者股票一度上漲。據(jù)推測，原因之一是特斯拉在對基于視覺的全自動駕駛方法進行基準測試。而最近從特斯拉離職的法律副總裁Al Prescott正是去了Luminar。

不過，今天要聊的還不是這家由95后Austin Russell在2012年創(chuàng)辦的公司，因為我并不看好這個根本沒有量產(chǎn)，只靠炒作固態(tài)激光雷達，卻頂多是個半固態(tài)的上市公司。事實上，激光雷達公司背后都有半導體廠商的身影，合作正在加快激光雷達的商用落地。

激光雷達之于汽車應(yīng)用

在汽車應(yīng)用中，激光雷達可改善安全和駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS），包括車道保持和交通堵塞輔助功能，還可用于全自動駕駛駕駛，如無人運輸，實時安全地實現(xiàn)導航。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，汽車應(yīng)用預計將成為激光雷達的重要驅(qū)動力，2019年至2025年期間將實現(xiàn)18億美元的增長。

近年來，激光雷達在汽車應(yīng)用中越來越受歡迎，一些更穩(wěn)定成熟的低成本車規(guī)級產(chǎn)品正逐漸形成量產(chǎn)規(guī)模。

艾邁斯半導體（ams）現(xiàn)場應(yīng)用工程師Spencer Bai表示：“讓汽車能夠‘看到’環(huán)境非常關(guān)鍵，L3以上需要用激光雷達。當前的駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）依賴攝像頭、雷達或兩者的組合，沒有一種單獨或組合能夠為自動駕駛提供令人滿意的性能?！?/p>

他認為，未來人的監(jiān)督要由傳感器冗余來接管。激光雷達的引入將使全自動駕駛成為可能，因為它是唯一一種能夠精確確定車輛在地圖上位置、實現(xiàn)遠程目標檢測和識別的技術(shù)。激光雷達與攝像頭、雷達及V2X融合才能有足夠的冗余。

安森美半導體智能感知部中國區(qū)圖像應(yīng)用工程主管錢團結(jié)博士認為，相比其他傳感器，激光雷達在探測距離及角度和深度分辨率等方面優(yōu)勢明顯。這些優(yōu)勢源于激光雷達核心組件技術(shù)的進步，芯片效率的大幅度提升可以節(jié)省更多發(fā)射功率或探測更遠距離，配合先進的高功率、高效率光源發(fā)射器以及后端信號處理電路及成熟算法，在自身尺寸變小的同時，激光雷達整體性能也在大幅度提升，更能適應(yīng)車載環(huán)境的實際應(yīng)用。

他表示，近年來，SiPM技術(shù)發(fā)展勢頭強勁，由于具有功能獨特，已成為市場上深度感知應(yīng)用的首選技術(shù)。SiPM能在明亮陽光條件下長距離提供最佳信噪比。其他優(yōu)勢包括較低的電源偏置和溫度變化敏感性，是使用傳統(tǒng)APD的系統(tǒng)的理想升級選擇。

Sense Photonics首席技術(shù)官Hod Finkelstein則表示，激光雷達是實現(xiàn)L3-L5自動駕駛所需傳感器融合的關(guān)鍵組件。激光雷達可提供高分辨率深度數(shù)據(jù)，提升目標識別能力，這是單獨的雷達或相機不可能實現(xiàn)的。

他認為，汽車中實際使用的旋轉(zhuǎn)式激光雷達會因內(nèi)部軸承問題頻繁出現(xiàn)故障，必須翻新或更換。此外，無論是旋轉(zhuǎn)還是基于MEMS的產(chǎn)品，在高振幅振動脈沖（車輛使用）中都難以保持深度精度。因此，只有完全不需要掃描的架構(gòu)才是實現(xiàn)量產(chǎn)市場的最佳長期架構(gòu)。過去，為了擴展ADAS和AV的小眾汽車研發(fā)項目，激光雷達難以滿足汽車可接受的系統(tǒng)成本、封裝和可靠性要求，現(xiàn)在情況已經(jīng)改觀。

安森美半導體技術(shù)多位一體

為了滿足激光雷達更遠距離要求，實現(xiàn)超低目標反射率探測，抑制環(huán)境光等噪聲，同時大幅度降低整體成本，安森美半導體基于硅基單光子探測器芯片，大力推廣基于硅光電倍增管（SiPM）探測器+近紅外（NIR）波長+直接飛行時間（dToF）的激光雷達方案。

dToF測距原理框圖

SiPM和SPAD（單光子雪崩二極管）探測器是2018年收購SensL所得。SiPM是一種建立在SPAD上的探測器，對單個光子非常敏感，能夠在陽光直射環(huán)境條件下工作，有助于系統(tǒng)探測到最遠的物體，即使反射率最小?；赟PAD陣列的飛行時間圖像傳感器可以實現(xiàn)高分辨率4D成像，從場景中的所有點同時捕獲深度數(shù)據(jù)和強度。

目前，SiPM和SPAD技術(shù)已成為實現(xiàn)激光雷達系統(tǒng)中接收器功能的關(guān)鍵，這兩種光電探測器類型均基于蓋革模式（Geiger mode，只適用于單光子計數(shù)的模式），有助于實現(xiàn)符合車規(guī)、高增益、低成本、尺寸緊湊的傳感器，適用于汽車長距離激光雷達的微光探測場景，提供業(yè)界最高靈敏度、最佳一致性和低噪聲的產(chǎn)品。

通過對比可以看到，PIN二極管、APD陣列、SPAD陣列、SiPM陣列還是有很大不同。

與已有APD產(chǎn)品相比，SiPM和SPAD技術(shù)具有高靈敏度（2000倍）、更高增益（1萬倍）、更低供電電壓（約32V）及最佳一致性等優(yōu)勢。另一個優(yōu)勢是一開始就從汽車認證入手設(shè)計光電探測器及其封裝，并采用主流大批量CMOS工藝制造，成本低，可靠性高。除了光電探測器以外，安森美半導體還提供激光系統(tǒng)中符合車規(guī)的驅(qū)動芯片、電源芯片、放大器和讀出芯片等整體系統(tǒng)硬件方案，以及經(jīng)驗證的激光雷達模型仿真數(shù)據(jù)等，有助于客戶掌握新技術(shù)，讓產(chǎn)品快速落地。

3月，安森美半導體發(fā)布了用于激光雷達應(yīng)用的全球首款車規(guī)認證SiPM陣列ArrayRDM-0112A20-QFN，為激光雷達量產(chǎn)鋪平了道路。它是一款單片1×12 SiPM像素陣列，可實現(xiàn)NIR高靈敏度，在905nm達到領(lǐng)先業(yè)界的18.5％的光子探測效率（PDE）。SiPM的高內(nèi)部增益使其靈敏度可達到單光子水平，與高PDE結(jié)合可以檢測最微弱的返回信號。即使是低反射率目標，也能探測到更遠的距離（300米以上），為車輛贏得更多應(yīng)對意外障礙的時間。

錢博士解釋說，ArrayRDM-0112A20-QFN是單片線陣SiPM探測器，曝光采用的是全局快門方式，12個點完全獨立，可以在給定時間里各自接受自己區(qū)域的光子后輸出脈沖。

據(jù)介紹，目前，一些主流激光雷達廠家都在積極引入采用SiPM探測器的激光雷達，已經(jīng)有部分廠家開始量產(chǎn)。采用ArrayRDM-0112A20-QFN線陣芯片的激光雷達也將于今年量產(chǎn)。

安森美半導體還有一款400×100像素SPAD面陣陣列芯片Pandion，采用卷簾快門讀出，不僅有圖像信息，還可提供點云信息。全球包括中國知名激光雷達公司都在用這款器件開發(fā)產(chǎn)品，今年會有一些量產(chǎn)激光雷達上車。

Sense的“照明”模式很獨特

年初，Sense Photonics展示了適于大眾市場汽車應(yīng)用的全球首款940nm全局快門閃光（像照明）激光雷達。Hod Finkelstein說：“我們已經(jīng)實現(xiàn)了業(yè)內(nèi)專家一度認為不可能實現(xiàn)的目標，并通過Sense Illuminator、Sense Silicon和我們最先進的信號處理技術(shù)創(chuàng)造了一個革命性的新架構(gòu)，使數(shù)據(jù)輸出小型化，一舉解決了主機廠、Tier 1和Robotaxi公司一直以來擔心的激光雷達功能不足的問題?！?/p>

Sense的所謂“照明”是讓15000個VCSEL陣列同時閃光，照亮其SPAD接收器上的140000像素。安裝在曲面上的VCSEL可擴大視野，30度水平場最大200米射程采用表面貼裝扁平芯片實現(xiàn)。

傳統(tǒng)激光雷達是使用現(xiàn)成的激光組件，用紅外線照亮一列或一排光點，然后以機械方式掃描場景，以覆蓋所需的全部視野（FOV）。由于不能捕獲全幀數(shù)據(jù)，必須跟蹤每幀返回的每個像素的時間戳。如果高速車輛在該幀內(nèi)移動，還要使用該信息來校正運動模糊。

傳統(tǒng)方法掃描的不是所需視場，必須將激光光點移到整個視場以實現(xiàn)全覆蓋。這會導致射程、分辨率、幀速率和視野之間的取舍，還增加了系統(tǒng)復雜性和昂貴的光學元件，在裝配過程中需要繁瑣的校準。因此，它高成本傳感器的方案，還存在許多潛在故障點。

傳統(tǒng)技術(shù)是依賴低效的邊緣發(fā)射激光二極管或高成本光纖激光器，Sense的晶圓級制造的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）陣列可將每個芯片尺寸縮小到小于頭發(fā)絲的寬度。其閃光架構(gòu)無需在發(fā)射器與接收器之間進行精細對準，可在振動條件下保持傳感器校準和深度精度。只需簡單改變光學器件就能按需調(diào)節(jié)平臺，是第一款能夠以同一架構(gòu)提供短距離和長距離功能的平臺。

看看這些陣列是怎么構(gòu)建的，首先在晶圓上生長數(shù)百萬個VCSEL，然后使用微轉(zhuǎn)移打?。∕TP）專利技術(shù)在熱傳導柔性基板上一次“印刷”數(shù)千個VCSEL，能夠輸出千瓦的峰值光功率，同時保持Class 1眼睛安全，消耗平均功率非常小。

Illuminator還具有獨特靈活屬性，可通過控制其彎曲量來定制水平視野。陣列上每個芯片工作波長為940nm，其太陽通量輸出非常小，可消除來陽光干擾。

據(jù)介紹，一些主機廠和Tier 1正在評估Sense的系統(tǒng)，預計2021年中可以上市，2024年底開始量產(chǎn)，估計產(chǎn)品成本為數(shù)百美元。

艾邁斯半導體VCSEL+SPAD組合

今年5月，長城汽車開始搭載ibeoNEXT固態(tài)激光雷達，其核心組成部分特定光源VCSEL是艾邁斯半導體的技術(shù)。128×80的VCSEL陣列（10240個）利用閃光平行生成垂直線掃描，由光學透鏡組件調(diào)整視野和范圍，最長距離250米，涵蓋狹窄的12度水平視野，最寬視場為60度。

專門優(yōu)化的VCSEL陣列具備出色的功率密度、轉(zhuǎn)換效率和間距。通過集成功能性安全標準提供增強功能和護眼功能，實現(xiàn)高可靠性。VCSEL為布局設(shè)計留有極大的靈活性，包括像素大小、尺寸和間距，以及特定的可尋址功能。

據(jù)介紹，在掃描式和泛光面陣式激光雷達應(yīng)用中，大功率VCSEL不易受單個發(fā)射器故障的影響，在工作溫度范圍內(nèi)更加穩(wěn)定，且易于集成。

VCSEL技術(shù)原理

艾邁斯半導體的VCSEL比其他類型光源具有特殊優(yōu)勢，其較窄的波長帶寬（特別是溫度）可在接收器處進行更有效濾波，提高信噪比。由于發(fā)射的是垂直圓柱形光束，集成到系統(tǒng)中更加簡單。VCSEL陣列通常由50-10k單個發(fā)射器組成，與只有1-3個發(fā)射器的典型EEL（邊緣發(fā)射器）相比，單個發(fā)射器故障的影響非常有限。

他承認，由于激光雷達是一項新興技術(shù)，其成熟度、成本和體積仍有待改進，但VCSEL組合有助于客戶在三個方面實現(xiàn)階躍功能改進。

與其他類型激光器相比，VCSEL有許多優(yōu)點：

表面發(fā)射（非邊緣發(fā)射），在可尋址陣列中提供設(shè)計靈活性

解決激光波長的低溫依賴性

優(yōu)異的可靠性

晶圓級制造工藝

艾邁斯半導體VCSEL技術(shù)包括外延結(jié)構(gòu)和芯片設(shè)計、外延生長、前端和后端處理、封裝以及高級測試和模擬。

艾邁斯半導體采用dToF感測技術(shù)，利用光源和接收器進行遠程目標探測和測距，計算發(fā)送和接收的光脈沖之間的時間即可得出距離。這方面與安森美半導體的方案相仿。

dToF傳感器基于SPAD像素設(shè)計和具有極窄脈沖寬度的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器（TDC），實時測量VCSEL發(fā)射并從物體反射的紅外射線的飛行時間。低功耗飛行時間傳感技術(shù)有助于主機系統(tǒng)精確、高速地測量距離。

艾邁斯半導體還開發(fā)了一種復雜直方圖數(shù)據(jù)和智能軟件算法，可以使ToF傳感器檢測并抵消覆蓋玻璃反射的影響，包括污漬引起的串擾，也可以容納較大的氣隙；可以獨立于對象顏色、反射率和紋理實現(xiàn)精確距離檢測；還可以測量視野中多個物體間的距離。

技術(shù)開始趨同

雖然這幾家公司在激光照射模式方面各有千秋，但接收器芯片技術(shù)方面如出一轍，都采用了SPAD；安森美半導體和艾邁斯半導體都用紅外技術(shù)和dToF測距；而Sense和艾邁斯半導體又不約而同采用了VCSEL；三家公司都采用面陣閃光；只有SiPM是個唯一，那就是安森美半導體。值得一提的是，安森美半導體的激光雷達探測器單點、線陣和面陣都有，客戶可以各取所需。

編輯：jq