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。

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

在所有技術(shù)路線之爭中，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；

（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；

（3）激光波長有905nm和1550nm之爭；

（4）探測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；

（5）掃描模塊有機(jī)械式、混合固態(tài)、固態(tài)之爭；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，固態(tài)有光學(xué)相控陣（Optical Phased Array，OPA）和Flash之爭。

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)路線是未來的發(fā)展方向。

在大規(guī)?？菰锏目破罩R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)行探測的激光雷達(dá)也得到發(fā)展，不過那時(shí)還主要用于科研領(lǐng)域，比如用于氣象探測，比如用于對海洋、森林、地表的地形測繪，和一般人還沒什么交集。

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)測量，著名的Sick（西克）及 Hokuyo（北洋）公司針對此領(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。

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，美國第一屆無人車挑戰(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：單線激光雷達(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”的外號也因此由來。

雖然依舊沒有完成比賽，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，第三屆無人車挑戰(zhàn)賽移步城市舉行，Velodyne雖然沒有參加比賽，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)明申請了專利，并授權(quán)給了Velodyne公司，專利號為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。第三屆DARPA資助的無人車挑戰(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年第二屆無人車挑戰(zhàn)賽上，斯坦福團(tuán)隊(duì)通過在感知方案中加入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)鼻祖光輝歲月的開年。

這一年，Ibeo從SICK重新獲得獨(dú)立運(yùn)營權(quán)，好運(yùn)也隨之到來。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，隨著投入到無人駕駛領(lǐng)域研究的公司越來越多，HDL-64E可謂一機(jī)難求，遍尋宇宙無敵手，8萬美金一顆的價(jià)值就正面說明了市場的火爆，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。

花開兩朵，各表一枝，先來說說Ibeo。

經(jīng)過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，水平視場角達(dá)到了145°，測距達(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年換來了回報(bào)，前腳剛一口氣發(fā)布了短、中、長距三款純固態(tài)激光雷達(dá)產(chǎn)品ibeoNEXT，后腳就被東方大國神秘的客戶長城汽車看中，隨機(jī)宣布與其達(dá)成戰(zhàn)略合作，ibeoNEXT將搭載在長城魏牌系列車型，并定于2021年投產(chǎn)。

ibeoNEXT長距產(chǎn)品采用885nm波長激光器，擁有11.2°x5.6°的視場角，140m的探測能力。這個(gè)參數(shù)屬實(shí)有點(diǎn)尷尬，目前主機(jī)廠對主激光雷達(dá)的視場角要求一般是120°x25°，所以要用ibeoNEXT長距款作為主激光，需要11個(gè)拼起來……，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：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，只是沒想到這么悲壯。

計(jì)劃搭載IbeoNEXT的長城魏牌摩卡車型經(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，我們也沒有等來ibeoNEXT量產(chǎn)的喜訊，卻等來Ibeo破產(chǎn)的消息。

一代激光雷達(dá)佳人消香玉損，世人在評價(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8萬美金一顆、雖然售后服務(wù)幾近于無，雖然供貨周期漫長，但奈何市場別無其他激光雷達(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)為首的國內(nèi)激光雷達(dá)廠商開始入局，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數(shù)。

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

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

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，曾經(jīng)引以為傲的機(jī)械式激光雷達(dá)市場迅速縮水，2020年推出的混合固態(tài)激光雷達(dá)又沒激起水花。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)且缺乏誠信”被罷免職務(wù)。

終局就是2023年開年，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，在此我們就不展開敘述，只是通過Velodyne和Ibeo兩家公司波瀾壯闊的發(fā)展歷史來回顧激光雷達(dá)的青蔥歲月。

02 激光器之爭

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)，本文期望能夠說清一二。

一、激光的誕生

激光Laser的英文全稱為Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，直譯過來就是受激輻射光放大，聽起來有點(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，能量相對較高的為高能態(tài)，相對較低的為低能態(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，這個(gè)過程稱之為自發(fā)輻射，如圖7所示。

圖7 自發(fā)輻射過程

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光子經(jīng)過，一旦有能量恰好等于兩個(gè)能級之間能量差（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來，用來將自己提升到高能態(tài)，這一過程稱為受激吸收，如圖8所示。

圖8 受激吸收過程

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

圖9 受激輻射過程

這樣，通過一次受激輻射，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，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，所以外來光子經(jīng)過，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)輻射過程在沒有人為干預(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，形成激光束。由于兩面反射鏡位于特定的方向，對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輸出的激光波長有著選擇作用，只有在兩鏡間的距離能產(chǎn)生共振的波長才能產(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，下文我們對這兩類激光器展開介紹。

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)說起。

P型半導(dǎo)體是通過在純凈半導(dǎo)體（不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的半導(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。空穴和電子被稱為載流子。

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，驅(qū)動(dòng)P（N）型區(qū)的少子向低電勢移動(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），正向電壓的電場與PN結(jié)的自建電場方向相反，它削弱了自建電場對擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙作用。在外電場作用下，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)合過程將會(huì)發(fā)射某種波長的光子，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)生的光子通過半導(dǎo)體內(nèi)已激發(fā)的電子-空穴對附近時(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、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)對比如圖13所示。

圖13 EEL和VCSEL的結(jié)構(gòu)對比

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)諧振腔長度的作用，使其諧振波長正好是所需要的激光波長。

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。

工作時(shí)，電流從P型電極注入，通過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物體表面反射回來的入射光功率低，這將導(dǎo)致探測距離短。

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。

（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物體表面的光斑面積，從而影響了激光打在被測物體上的光功率密度，最終影響從被測物體表面反射回探測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)探測距離將提升41%。

VCSEL打在物體上的光斑呈點(diǎn)圓形，遠(yuǎn)場發(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)場發(fā)散角典型值在20°左右，遠(yuǎn)場發(fā)散角典型值在30°左右，因此VCSEL具有相對較小的遠(yuǎn)場發(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)需要過濾掉特定波長（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)。溫漂是指激光波長隨溫度變化發(fā)生偏移的現(xiàn)象，偏移過大會(huì)導(dǎo)致回波信號被濾光片濾掉，無法被探測器接收到。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，無法按照現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝來一次性處理，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，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)生能級躍遷并實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)后的粒子經(jīng)過諧振腔，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

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

表2 主流激光雷達(dá)波長

關(guān)于激光波長，繞不開的一個(gè)話題就是人眼安全。當(dāng)一束強(qiáng)烈的可見光照射眼睛，我們會(huì)本能的閉上眼睛來躲避光線。但是對于激光這種不可見的近紅外光，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。

為了評價(jià)這種傷害的級別，國際電工委員會(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）對激光進(jìn)行分類。MPE指在給定波長和持續(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，先過了我這層水再說。

發(fā)射功率高帶來的最直接好處就是探測距離將更遠(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)測數(shù)據(jù)顯示：2毫米厚的水層，不對，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物體，無論大雨還是小雨，無論被測物體靜止還是移動(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

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

激光器、探測器也存在技術(shù)路線之爭，但是很少聽說因?yàn)檫x了不同類型激光器而導(dǎo)致公司“家徒四壁”，也很少聽說因?yàn)檫x了不同類型探測器而導(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)在沒什么可說的，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://www.ttokpm.com/v/tag/1974/" target="_blank">大疆創(chuàng)新在無人機(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，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。可是數(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)。通過對光學(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)工藝也是中國制造業(yè)普遍欠缺的。

如今三年過去了，Horizon已從公司主頁介紹中消失，繼任者HAP在獲得小鵬P5的定點(diǎn)后曾盛極一時(shí)，但很快湮滅在競爭對手的鐵蹄下。2023年初，據(jù)宇多田在《一家大廠激光雷達(dá)的暫時(shí)“離場”》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“利潤率傾軋沒那么可怕”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)任的猜測一下：退場的原因不是利潤率，而是棱鏡這條技術(shù)路線適合不了車載領(lǐng)域，遲遲無法讓產(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，國外的廠商有Valeo、圖達(dá)通，國內(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是全球首款通過車規(guī)級認(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)級激光雷達(dá)，同年被首發(fā)搭載在全新奔馳S級轎車上，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。

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、視場角受限，信噪比低等問題。雖然各家推出的產(chǎn)品都說是車規(guī)級，但五年十萬公里入門要求估計(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，慢軸變形程度直接與水平視場角關(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)帶來的成本較低等優(yōu)勢，2021年底的時(shí)候，MEMS微振鏡激光雷達(dá)迎來了自己的高光時(shí)刻，國內(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)沒有能打的對手）。

但是這條技術(shù)路線也不是完美無缺，激光雷達(dá)按照收發(fā)光路來區(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器接收回來的激光同軸，如圖所示。對于MEMS微振鏡來說，一種典型技術(shù)方案是：激光器發(fā)射出激光，經(jīng)過一面穿孔的反射鏡，入射到微振鏡上，經(jīng)微振鏡反射后打到被測物體后返回，會(huì)再次通過微振鏡反射給穿孔的反射鏡，從而被探測器接收。

圖 同軸方案

同軸方案的好處顯而易見，只接收原光路返回的光信號，因而具有較好抗陽光干擾能力；收發(fā)模塊可集成于一處，采用單顆探測器即可，成本相對可控。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，其拿下的中國主機(jī)廠定點(diǎn)數(shù)量，恐怕十個(gè)指頭數(shù)不過來。

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

但從加工工藝來說，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，可靠性是沒問題的。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)理論上容易過車規(guī)，但實(shí)際上卻沒那么容易的原因。

非同軸方案是指激光器發(fā)射出去的激光和探測器接收回來的激光不同軸，如圖21所示。這意味著打到被測物體返回來的激光不用經(jīng)過MEMS微振鏡，而是直接進(jìn)入到探測器中。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光干擾能力，需要陣列化、性能更優(yōu)的探測器，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)對當(dāng)前供應(yīng)鏈來說確實(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，對于頻率（波長）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，既可以是相長干涉（如圖左圖），也可以是相消干涉（如圖右圖）。很顯然，相長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，在沒有相位差（等相位）的情況下，發(fā)生相長干涉，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)過分光器后進(jìn)入光波導(dǎo)陣列，在光波導(dǎo)上通過外加電壓，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。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量級以上；

（2）掃描精度較高，可以做到千分之一度量級以上；

（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，對于905nm波長激光雷達(dá)來說，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)的代表人物是美國的Quanergy，公司在2016年就公布了其OPA激光雷達(dá)產(chǎn)品，不過如今已經(jīng)破產(chǎn)。

（2）Flash

前文介紹的幾種掃描方式激光雷達(dá)，無論是轉(zhuǎn)鏡、MEMS還是OPA類型，發(fā)射模塊發(fā)射出來的激光都是線狀的，需要通過掃描模塊的往復(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，通過在短時(shí)間直接發(fā)射出一大片激光脈沖（面陣光），再通過高度靈敏的探測器接收，完成被測物體三維圖像的構(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，掃描模塊后括號里的若有就可以合理解釋了。而Flash激光雷達(dá)就是沒有掃描模塊，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開發(fā)長距激光雷達(dá)產(chǎn)品將成為可能。

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

除了激光器和探測器，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)通過對激光器發(fā)射出來的激光進(jìn)行準(zhǔn)直和整形，來使得激光發(fā)散角減小且符合使用要求的形狀，接收光學(xué)系統(tǒng)通過收集反射后的光能量，并將其匯聚到探測器的光敏面上，以提高探測距離。

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角直至達(dá)到設(shè)計(jì)的HFOV和VFOV。

說起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，但最早開始做Flash激光雷達(dá)的的確是大陸集團(tuán)（2016年3月收購Flash激光雷達(dá)公司Advanced Scientific Concepts后獲得此項(xiàng)魔法），只不過參數(shù)太過樸素罷了。

2017年大陸集團(tuán)發(fā)布第一款Flash激光雷達(dá)SRL121，905nm波長，27°x11°的視場角，10m的探測能力，確實(shí)沒什么姿色。2019年大陸集團(tuán)發(fā)布第二款HFL110，1064nm，120°x30°視場角，22m的探測能力，姿色見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、長三款，里面將使用自研的SPAD探測器芯片，并計(jì)劃在2025年量產(chǎn)上車。

2022年5月13日，亮道智能面向中國市場發(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 探測器之爭

探測器遵循的處世之道：來而不往非禮也，激光器發(fā)射出去的激光、由探測器進(jìn)行回禮接收并轉(zhuǎn)化為電信號。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?！ず掌潱℉einrich 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。在開關(guān)閉合，電壓上升到2萬伏之后，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，同樣也在接收器的小球間產(chǎn)生電火花。

圖 赫茲試驗(yàn)裝置簡圖

證實(shí)了電磁波存在之后，赫茲又開始通過實(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《論紫外光對放電的影響》的論文，揭開了光電效應(yīng)研究的序幕。

后來這一現(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)的本來面目。

激光器章節(jié)我們介紹過，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，此過程產(chǎn)生的電子-空穴對被稱為光生載流子，這個(gè)過程被稱為碰撞電離。

需要注意的是，當(dāng)經(jīng)過的光子能量恰好等于電子兩能級之差時(shí)，電子吃掉光子后會(huì)由低能級躍遷到高能級，也就是激光器之爭部分介紹的受激吸收，電子只是發(fā)生能級變化，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PD工作在反向電壓下，且可以暴露在外，通過窗口或光纖連接進(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（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，但是過大的耗盡區(qū)寬度將延長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就是我們說的雪崩模式。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產(chǎn)生光電子，這個(gè)光電子在電場作用下移動(dòng)，會(huì)去碰撞其他的原子，從而產(chǎn)生新的電子-空穴對，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是一種靈敏的測量光強(qiáng)的方法，但此靈敏度還不足以檢測單個(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)到無限大，因此SPAD是一種更靈敏的測量光強(qiáng)的方法，靈敏到可以檢測單個(gè)光子。

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

解決上述問題的一個(gè)方法就是淬滅電路，最簡單的一種淬滅電路如圖所示，通過在SPAD串聯(lián)一個(gè)千歐量級的大電阻。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，使其無法繼續(xù)發(fā)生雪崩。

圖 SPAD一種淬滅電路

雪崩過程被終止后，SPAD兩端的偏壓將會(huì)以較快的速度開始充電過程，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)，形成與光信號對應(yīng)的脈沖信號。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)字信號輸出，表示單個(gè)光子的到達(dá)。

結(jié)合圖我們再來詳細(xì)說明一下淬滅的過程，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)過充電過程，反向偏置電壓將由C恢復(fù)到A，SPAD再次準(zhǔn)備探測單個(gè)光子。

圖 淬滅工作過程

四、優(yōu)缺點(diǎn)比較

（1）探測光子量級。如圖所示，APD最小探測的光子量級在 103，所以對于長距低反只有幾十個(gè)光子返回的被測物體，APD無能為力。SPAD是單光子探測器，只需要一個(gè)光子但也至多檢測一個(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)間來準(zhǔn)備下一次檢測，所以SPAD的最大基數(shù)率有限制，大約100MHz。

圖 探測所學(xué)光子量級比較

（2）連續(xù)信號采集。APD無死區(qū)時(shí)間，可以對光照進(jìn)行連續(xù)信號采集，連續(xù)接收信號光。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對光不再敏感，無法接收光子，因此無法對光照進(jìn)行連續(xù)信號采集。

（3）抗環(huán)境光干擾。APD需要由多光子觸發(fā)，雖沒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的光電增益可以說是無限的，高增益讓SPAD更為敏感，可以檢測出單個(gè)光子。而APD的光電增益是有限的，無法對單光子進(jìn)行檢測。

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

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)還是掌握在國外供應(yīng)商手里。目前市面上真正可以看到的車規(guī)級傳感器，只有安森美的Padion SPAD和索尼的IMX459，而在中國市場，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，主要專注的市場還是在機(jī)器人、無人機(jī)等領(lǐng)域，部分企業(yè)開始推出車載產(chǎn)品。

05 測距方式之爭

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

按照測距方式不同，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，探測器檢測到回波后，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)間差來計(jì)算激光雷達(dá)與被測物體之間距離，測距原理如圖所示。

圖 ToF激光雷達(dá)測距原理圖

二、FMCW

FMCW激光雷達(dá)雖然近兩年才開始在自動(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。而通過相干檢測的方式，測量回波信號與本振光之間由距離延時(shí)引入的調(diào)制頻率差和相對速度引入的多普勒頻率差，可以求出被測物體的距離與速度。

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)測量目的不同，選擇不同的調(diào)制方式。比如與被測物體之間多普勒效應(yīng)可以忽略的場景，可以選用鋸齒波調(diào)制方式，從而實(shí)現(xiàn)更大的探測距離。而如果想要實(shí)現(xiàn)同時(shí)測距和測速，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)的測距和測速原理。

發(fā)射出去的調(diào)頻連續(xù)激光束，在打到被測物體后，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)，那么回波信號的頻率將下降。由于多普勒效應(yīng)導(dǎo)致回波信號與發(fā)射信號之間頻率出現(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)和被測物體之間有一段距離，信號傳輸需要一定時(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。

對于發(fā)射信號來說，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，便可以求出與被測物體的距離R。

最后根據(jù)多普勒公式，還可以求出被測物體的速度。

三、對比

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)_可能來自其他車輛上的激光雷達(dá)、也可能來自自身車輛的其他其他激光雷達(dá)；干擾主要來自環(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，波長一樣的。將來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)問題常見的做法是對每一束激光脈沖進(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)一無二的。不過，編碼會(huì)導(dǎo)致信噪比下降，進(jìn)而犧牲測距能力。

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。

對于此類問題，可以通過加裝時(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)，基于直接探測的原理，直接測量激光脈沖的回波信號，探測器本身不具備區(qū)別進(jìn)入探測器的回波是自身發(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)。

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

而對于FMCW激光雷達(dá)，采用的是相干檢測技術(shù)，回波信號會(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，放大后的信號處理起來就非常方便。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，相當(dāng)于要在百萬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)頻率不吻合的信號都會(huì)過濾掉，同頻的情況只會(huì)發(fā)生在百萬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)來的陽光強(qiáng)度高至少三個(gè)數(shù)量級，因此，陽光對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?。═oF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）測速能力

FMCW基于多普勒效應(yīng)，可以直接提供被測物體的實(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)，帶來的延遲在一些場景下具有不可忽視的危害。

比如路邊車門突然打開，下來一個(gè)人，俗稱“開門殺”。ToF激光雷達(dá)則通常需要2-3秒才能識別出來，這個(gè)反應(yīng)時(shí)間在緊急情況下，顯然有點(diǎn)長了。而對于FMCW激光雷達(dá)來說，一幀就可以識別出來。

還有一個(gè)場景，就是“鬼探頭”，車輛行駛過程中，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，但即使是這么小的一個(gè)頭，F(xiàn)MCW也能馬上識別。

（3）信噪比

信噪比（Signal-to-noise Ratio，SNR），指的是系統(tǒng)中信號與噪聲的比。對于激光雷達(dá)來說，信噪比越高，意味著收到的回波信號中，有用成分越高，干擾分量越少。

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

（4）遠(yuǎn)距離測量能力

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

對于一款250m@10%探測能力的1550nm激光雷達(dá)來說，不是說250m外10%的被測物體全都探測不到，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。

而對于1550nm FMCW激光雷達(dá)來說，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

從長遠(yuǎn)來看，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。但在當(dāng)前，無論是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)前列的多為國外公司，包括Mobileye、Avea、Aurora（收購了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、探測器和光學(xué)部件集成到一塊只要硬幣大小的芯片上。

國內(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。

從市場份額來看，禾賽科技、速騰聚創(chuàng)、圖達(dá)通無疑是激光雷達(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，通過半導(dǎo)體工藝將芯片陣列化，圖43藍(lán)色矩形框框起來的部分就是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)告來看，AT128里面使用的是Lumentum峰值功率為70W、波長為905nm的VCSEL激光器，型號應(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，而在功率密度低而想提高探測距離的就只能選用效率及靈敏度更高為探測器，為此AT128里選用的是SiPM探測器。

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)水平視場角掃描。

02 圖達(dá)通Falcon

Falcon是圖達(dá)通和蔚來在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年在國內(nèi)申請的一份專利《用于LIDAR系統(tǒng)的二維操縱系統(tǒng)》來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掃描光源的一個(gè)或多個(gè)信號。

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來的光信號。

掃描光學(xué)器件用來負(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)射出去的光信號在708區(qū)域內(nèi)擊中對象發(fā)生散射后，返回的光信號返回到旋轉(zhuǎn)多面棱體上，反射回到掃描光學(xué)器件，并由透鏡710聚焦到探測器712上。

接下來我們就看一下部分自媒體的拆解分析。

從實(shí)物拆解來看，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，但是通過周期性提升激光器點(diǎn)頻，也能在特定的水平視場角內(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（來源中信證券）

通過此種調(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探測器選用了普通的APD探測器，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CES展上推出的一款混合固態(tài)激光雷達(dá)產(chǎn)品，只不過當(dāng)時(shí)還是工程樣機(jī)階段，后經(jīng)過兩年的打磨，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，型號為：XAZU2EG。

圖 MI掃描示意圖（來源中信證券）

04 總結(jié)

2024年1月份的美國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FMCW 4D激光雷達(dá)Atlas……

審核編輯：黃飛