從四個(gè)維度深度剖析激光雷達(dá)核心技術(shù)

激光雷達(dá)（LiDAR）的產(chǎn)業(yè)化熱潮來源于自動(dòng)駕駛汽車的強(qiáng)烈需求。在美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）定義的L3級(jí)及以上的自動(dòng)駕駛汽車之中，作為3D視覺傳感器的激光雷達(dá)彰顯了其重要地位，為自動(dòng)駕駛的安全性提供了有力保障。因此，激光雷達(dá)成為了產(chǎn)業(yè)界和資本界追逐的“寵兒”，投資和并購(gòu)消息層出不窮。很多老牌整車廠和互聯(lián)網(wǎng)巨頭都展開了車載激光雷達(dá)的“軍備競(jìng)賽”。近期，MEMS激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展最為活躍，并且吸引了大多數(shù)投資，同時(shí)寶馬宣布將于2021年推出集成MEMS激光雷達(dá)的自動(dòng)駕駛汽車。

不同自動(dòng)駕駛等級(jí)對(duì)傳感器的需求分析

（數(shù)據(jù)來源：Yole）

伴隨著自動(dòng)駕駛熱度上升，激光雷達(dá)相關(guān)新聞鋪天蓋地襲來。但是這項(xiàng)在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域尚不成熟的3D視覺技術(shù)，不僅公開技術(shù)資料稀缺，而且企業(yè)和媒體關(guān)于各種激光雷達(dá)的分類和稱謂表達(dá)五花八門，例如：機(jī)械式、固態(tài)、全固態(tài)、混合固態(tài)；又如：MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）、OPA（光學(xué)相控陣）、Flash（閃光）；亦如：FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）、脈沖波；還如：飛行時(shí)間法、三角測(cè)距法等。這些稱謂常常讓圈內(nèi)圈外的人士感到困惑。不用擔(dān)心，麥姆斯咨詢?yōu)槟鹨山饣螅緢?bào)告從“測(cè)距原理、光源、光束操縱、探測(cè)器”四個(gè)維度對(duì)激光雷達(dá)核心技術(shù)及分類進(jìn)行了分析，力求讓讀者對(duì)激光雷達(dá)錯(cuò)綜復(fù)雜的技術(shù)脈絡(luò)有清晰的認(rèn)知。

當(dāng)我們?cè)诮涣鳌爸苯?間接飛行時(shí)間法、三角測(cè)距法”等概念時(shí)，這實(shí)際上是激光雷達(dá)的“測(cè)距原理”維度；而談及“機(jī)械式、MEMS、OPA、Flash”等關(guān)鍵詞時(shí)，這屬于激光雷達(dá)的“光束操縱”維度；無論是905nm還是1550nm的波長(zhǎng)，還是邊發(fā)射激光器（EEL）或垂直腔面發(fā)射激光器（VCESL），這是從激光雷達(dá)的“光源”維度交流問題；而涉及PIN、APD（雪崩光電二極管）/SPAD（單光子雪崩二極管）、SiPM（硅光電培增管），或是單點(diǎn)、線陣、面陣，則是從激光雷達(dá)的“探測(cè)器”維度分析技術(shù)。

掌握不同類型激光雷達(dá)技術(shù)路線及“硬核”

按照光束操縱方式分類，激光雷達(dá)主要分為機(jī)械式激光雷達(dá)、MEMS激光雷達(dá)、OPA激光雷達(dá)和Flash激光雷達(dá)。觀察目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，MEMS和Flash技術(shù)更受到激光雷達(dá)廠商的青睞，有望逐步取代機(jī)械式激光雷達(dá)。本報(bào)告詳細(xì)分析了上述四種激光雷達(dá)的工作原理、優(yōu)劣勢(shì)；并對(duì)各種激光雷達(dá)技術(shù)的“硬核”——核心元器件的原理、工藝難度和主要供應(yīng)商進(jìn)行了深度剖析，包括MEMS微鏡、OPA芯片、ToF（飛行時(shí)間）圖像傳感器、激光器（EEL/VCSEL）、光電探測(cè)器（APD/SPAD/SiPM）等；最后還梳理了各種激光雷達(dá)的國(guó)內(nèi)外典型廠商。

MEMS微鏡作為MEMS激光雷達(dá)的核心元器件，毫米級(jí)尺寸大大減少了激光雷達(dá)的體積，幫助系統(tǒng)擺脫了笨重的馬達(dá)等機(jī)械式裝置；同時(shí)，MEMS微鏡的引入大大減少激光器和探測(cè)器數(shù)量，極大地降低整體成本；在投影顯示領(lǐng)域商用化應(yīng)用多年的經(jīng)歷及近期在汽車領(lǐng)域的努力，讓業(yè)界對(duì)MEMS微鏡的成熟度更為認(rèn)可。但是，MEMS微鏡尺寸的縮小又限制了MEMS激光雷達(dá)的光學(xué)口徑、掃描角度，視場(chǎng)角也會(huì)變??；如何通過車規(guī)也是MEMS微鏡面臨的巨大挑戰(zhàn)。

OPA激光雷達(dá)無需任何機(jī)械部件就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的操縱，曾一度被業(yè)界看好。但核心元器件——OPA芯片的納米加工難度非常高。以Quanergy為代表的OPA激光雷達(dá)廠商不斷修正其產(chǎn)品的量產(chǎn)時(shí)間和最遠(yuǎn)測(cè)距范圍。那么OPA芯片的實(shí)現(xiàn)方式有哪些？面臨哪些方面的問題？您將在本報(bào)告中找到答案。

Flash激光雷達(dá)被視為最終的主流技術(shù)路線。Flash激光雷達(dá)技術(shù)利用激光器同時(shí)照亮整個(gè)場(chǎng)景，如何提高接收端每個(gè)像素可接收的能量，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)，這對(duì)線陣/面陣探測(cè)器技術(shù)提出了極高要求。本報(bào)告對(duì)線性雪崩二極管（LMAPD）陣列、蓋革模式雪崩二極管（GMAPD）陣列、硅光電倍增管（SiPM）、ToF圖像傳感器等陣列探測(cè)器的工作原理、關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并梳理了國(guó)內(nèi)外相關(guān)廠商信息。

FMCW激光雷達(dá)另辟蹊徑：測(cè)距又測(cè)速

調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)采用基于光源頻率調(diào)制的間接飛行時(shí)間法，通過比較任意時(shí)刻反射信號(hào)頻率與此時(shí)刻發(fā)射信號(hào)頻率的之差方法來得到目標(biāo)的距離信息。該激光雷達(dá)類型與上述四種激光雷達(dá)（按照光束操縱方式分類）不一樣，是從光源波形角度進(jìn)行分類的。FMCW激光雷達(dá)的光源信號(hào)調(diào)制主要包括三角波調(diào)制、鋸齒波調(diào)制、正弦波調(diào)制等方式。由于正弦波調(diào)制檢測(cè)物體時(shí)需要調(diào)節(jié)信號(hào)頻偏，大多應(yīng)用于只有一個(gè)探測(cè)目標(biāo)的情況，比如高度計(jì)。如果希望FMCW激光雷達(dá)檢測(cè)多個(gè)目標(biāo)的距離和速度等信息，通常采用三角波調(diào)制。

FMCW激光雷達(dá)的光源信號(hào)采用三角波調(diào)制時(shí)，通過測(cè)量fB1和fB2就可確定與反射目標(biāo)的距離及其徑向速度

FMCW激光雷達(dá)采用相干測(cè)量技術(shù)。相干測(cè)量又稱光外差探測(cè)。激光器發(fā)出的光經(jīng)分束器后分為兩束，一束作為本振光，另一束在調(diào)制后經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)照射到目標(biāo)物體上，反射回來的光（信號(hào)光），與本振光在光電探測(cè)器上混頻。相干測(cè)量具有轉(zhuǎn)換增益高、獲得光信號(hào)全部信息（振幅、頻率、相位）、對(duì)背景光濾波性能高、可探測(cè)微弱信號(hào)等優(yōu)勢(shì)。在相干測(cè)量中，為了獲得最佳的信噪比，需要足夠高的本振光功率，這對(duì)激光器的要求非常高，平衡光電探測(cè)器也不可或缺。平衡光電探測(cè)器利用在同一探測(cè)系統(tǒng)中放置兩組探測(cè)器件，分別將本振光和信號(hào)光輸入到光電二極管中，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后經(jīng)過減法器運(yùn)算，輸出外差信號(hào)。通過本報(bào)告，您會(huì)對(duì)FMCW激光雷達(dá)技術(shù)及核心元器件（平衡光電探測(cè)器）有更深入的認(rèn)識(shí)。