華為激光雷達(dá)的技術(shù)方案分析

華為作為中國(guó)自動(dòng)駕駛技術(shù)第一梯隊(duì)的卓越代表，其激光雷達(dá)產(chǎn)品也備受矚目，不過(guò)關(guān)于華為激光雷達(dá)的公開(kāi)資料非常少，即便是有也非常粗略。

本文通過(guò)詳細(xì)拆解華為96線激光雷達(dá)產(chǎn)品，嘗試分析華為激光雷達(dá)的技術(shù)方案，并通過(guò)對(duì)比市場(chǎng)其他主流激光雷達(dá)產(chǎn)品，結(jié)合激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，分析華為技術(shù)方案的特點(diǎn)，供大家參考。

（華為192線產(chǎn)品還沒(méi)有途徑獲取，待獲取后，再和大家分享）

【一】華為激光雷達(dá)的市占率

2023年，中國(guó)車(chē)用激光雷達(dá)（自主品牌）總出貨量約71萬(wàn)臺(tái)，其中，速騰聚創(chuàng)是24.3萬(wàn)臺(tái)（2022年是3.69萬(wàn)臺(tái)）位列第一，禾賽是19.49萬(wàn)臺(tái)（2022年是6.2萬(wàn)臺(tái)），圖達(dá)通大概超15萬(wàn)臺(tái)，華為預(yù)計(jì)7萬(wàn)臺(tái)，另外探維科技、覽沃科技等其他大概合計(jì)5.21萬(wàn)臺(tái)。

銷(xiāo)量占比如下圖所示：

中國(guó)是車(chē)載激光雷達(dá)的主要市場(chǎng)，2023年由于自動(dòng)駕駛量產(chǎn)車(chē)型的增多，激光雷達(dá)出貨量取得了大幅的增加。

2024年依然會(huì)保持增長(zhǎng)勢(shì)頭，其中，速騰聚創(chuàng)財(cái)報(bào)顯示，截止到2023年底，速騰聚創(chuàng)已經(jīng)與22家車(chē)企及Tier 1取得定點(diǎn)合作，車(chē)型涉及63款。其中有12家車(chē)企的24款車(chē)型SOP，速騰將2024年的出貨量目標(biāo)定在了100萬(wàn)臺(tái)。

禾賽科技預(yù)計(jì)在2024年底實(shí)現(xiàn)12家車(chē)企的40種車(chē)型達(dá)成SOP，2024年出貨量預(yù)計(jì)大幅增長(zhǎng)至60-70萬(wàn)臺(tái)。

華為目前的主要客戶(hù)是問(wèn)界、阿維塔、極狐、智界、哪吒等，對(duì)應(yīng)車(chē)型相關(guān)信息如下所示。隨著問(wèn)界等車(chē)型的熱賣(mài)，2024年華為激光雷達(dá)的出貨量會(huì)有大幅提升。

【二】華為激光雷達(dá)和其他產(chǎn)品的性能對(duì)比

下圖匯總了目前主流的激光雷達(dá)產(chǎn)品主要性能指標(biāo)，對(duì)比如下所示。

說(shuō)明：上圖數(shù)據(jù)來(lái)源于各公司官網(wǎng)和行業(yè)信息，將各產(chǎn)品依據(jù)標(biāo)稱(chēng)的測(cè)距和角分辨率在坐標(biāo)系中進(jìn)行大致擺放，主要目的在于從特定的角度對(duì)部分性能進(jìn)行對(duì)比，這些指標(biāo)并無(wú)法代表激光雷達(dá)的全部性能，僅做參考。

從這張圖可以看出很多信息，其中：

華為96線激光雷達(dá)（型號(hào)：D2）距離發(fā)布有3年半的時(shí)間，從測(cè)距和分辨率指標(biāo)來(lái)看，在當(dāng)前主流產(chǎn)品中已不占優(yōu)勢(shì)。

華為192線激光雷達(dá)（型號(hào)：D3）相對(duì)于速騰M1P和禾賽AT128，測(cè)距和角分辨率指標(biāo)相當(dāng)或者略高，和其他更高性能產(chǎn)品相比，尚有差距。

【三】華為96線激光雷達(dá)拆解

2020年12月，華為正式發(fā)布其首款車(chē)規(guī)級(jí)激光雷達(dá)產(chǎn)品——96線中長(zhǎng)距激光雷達(dá)。

核心參數(shù)：

測(cè)距：150m@10%；

水平FOV：120°，垂直FOV：25°；

角分辨率：0.25°（H）×0.26°（V）

刷新頻率：最高25Hz

阿維塔11上安裝了3顆華為96線激光雷達(dá)，其中1顆前向，2顆在側(cè)面。

阿維塔的激光雷達(dá)有L106和L107兩種型號(hào)，應(yīng)該1個(gè)是前雷達(dá)，1個(gè)是側(cè)雷達(dá)。這兩種型號(hào)外形相同，不同點(diǎn)可能是不同安裝位置做了微小適配，內(nèi)部原理應(yīng)該相同。

本文拆解的是一款型號(hào)是L107的激光雷達(dá)（右圖）。

【1】整體結(jié)構(gòu)

這款雷達(dá)采用較為規(guī)整的長(zhǎng)方體外形，視窗口是一個(gè)矩形平面，和車(chē)身配合較為方便。

尺寸如下，相對(duì)于速騰M1P和禾賽AT128，這個(gè)雷達(dá)的尺寸是比較大的。

拿掉上殼之后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

將底殼也去掉之后，核心電路板的連接關(guān)系：

連接原理：

整體設(shè)計(jì)非常緊湊，大量使用軟排線進(jìn)行板間連接，電路板設(shè)計(jì)也非常規(guī)整。

【2】電機(jī)模組（掃描模塊）

該激光雷達(dá)采用轉(zhuǎn)鏡進(jìn)行水平方向上的掃描，有4面反射鏡。

電機(jī)模組的4個(gè)視圖：

在靠近激光出入口的位置，合金架涂上了黑色吸波材料，用于吸收多余的激光束雜散和反射，減小干擾。

【3】收發(fā)模組

收發(fā)模組是該雷達(dá)最復(fù)雜的一個(gè)結(jié)構(gòu)，原理如下：

為了盡可能的表達(dá)清楚，從4個(gè)45°角度拍攝了4張照片，標(biāo)記如下：

發(fā)射光路

發(fā)射光路方案：

兩個(gè)發(fā)射板電路完全相同，上面主要是驅(qū)動(dòng)EEL激光發(fā)射器：

該雷達(dá)每塊發(fā)射板上有4個(gè)EEL，兩塊發(fā)射板一共8個(gè)EEL。

EEL后面是準(zhǔn)直鏡：

通過(guò)準(zhǔn)直鏡后，發(fā)射板1的激光由一個(gè)反射鏡反射后到達(dá)分束器，發(fā)射板2的激光直接到達(dá)分束器。

一共8個(gè)EEL光束，由分束器分為96個(gè)激光束，然后由棱鏡最終調(diào)整角度后射出。

接收光路

接收器主要包括接收鏡頭、濾光片和SPAD等，由于接收板是用膠粘在支架上，本次拆解并沒(méi)有打開(kāi)。下圖是來(lái)自芝能智芯的拆解圖片，顯示是一顆來(lái)自索尼的SPAD傳感器。

圖片來(lái)源：芝能智芯

【4】主板

該雷達(dá)一共有2塊主板，由于上面分別有TDA4和FPGA，因此暫時(shí)分別命名為T(mén)DA4主板和FPGA主板。

TDA4主板

TPS6594-Q1：TI的具有五個(gè)降壓穩(wěn)壓器和四個(gè)低壓降穩(wěn)壓器的汽車(chē)類(lèi) 2.8V 至 5.5V PMIC；

LP8764-Q1：4 5-A/20-A multiphase buck converters PMIC for automotive SoCs；

RTL9010：REALTEK的具備MACsec加解密功能的，車(chē)用高能效以太網(wǎng)PHY芯片；

TDA4AL Jacinto 處理器：

主要性能：

兩個(gè)C7x浮點(diǎn)、矢量DSP，性能高達(dá)1.0GHz、160GFLOPS、512GOPS；

深度學(xué)習(xí)矩陣乘法加速器(MMA)，性能高達(dá)8TOPS(8b)（頻率為1.0GHz）；

具有圖像信號(hào)處理器(ISP)和多個(gè)視覺(jué)輔助加速器的視覺(jué)處理加速器(VPAC)；

深度和運(yùn)動(dòng)處理加速器(DMPAC)，雙核64位ArmCortex-A72微處理器子系統(tǒng)，性能高達(dá)2GHz–每個(gè)雙核Cortex-A72集群具有1MBL2共享緩存–每個(gè)Cortex-A72內(nèi)核具有32KBL1數(shù)據(jù)緩存和48KBL1指令緩存；

六個(gè)ArmCortex-R5FMCU，1.0GHz–16K指令緩存，16K數(shù)據(jù)緩存，64KL2TCM–隔離MCU子系統(tǒng)中，有兩個(gè)ArmCortex-R5FMCU–通用計(jì)算分區(qū)中，有四個(gè)(TDA4VE)或兩個(gè)(TDA4AL/TDA4VL)ArmCortex-R5FMCU；

GPU IMGBXS-4-64，256kB緩存，高達(dá)800MHz，50GFLOPS，4GTexels/s（TDA4VE和TDA4VL）；

FPGA主板

采用一片來(lái)自于LATTICE的低功耗FPGA：

【5】其他部件

在鏡面背部有4個(gè)接觸點(diǎn)，在組裝之后分別和電路板的4個(gè)彈簧觸點(diǎn)接觸，推測(cè)應(yīng)該是加熱絲的接口，用于加熱視窗面，防止積雪。

【四】華為96線激光雷達(dá)技術(shù)分析

對(duì)于華為96線激光雷達(dá)，分析如下：

【1】華為96線激光雷達(dá)采用了905nm波長(zhǎng)激光。905nm技術(shù)占據(jù)89%的市場(chǎng)份額，1550nm激光測(cè)距范圍更遠(yuǎn)，但是成本較高。速騰M3和禾賽AT512分別采用了940nm和905nm技術(shù)，測(cè)距能力超過(guò)了現(xiàn)有的1550nm產(chǎn)品。

資料來(lái)源：San Francisco State University《Absorption Spectra_Atmosphere》

圖達(dá)通之前主要使用1550nm技術(shù)，目前也推出905nm方案的Robin E產(chǎn)品。

圖片來(lái)源：YOLO《Automotive LIDAR Market: Competitive Dynamics, Technology Evolution, and Revenue Trends》（Automotive LiDAR conference 2023, October 3-5 ）

【2】華為96線激光雷達(dá)采用轉(zhuǎn)鏡+電子掃描方式，這種方式是目前半固態(tài)激光雷達(dá)較為主流的掃描方式。

轉(zhuǎn)鏡是目前應(yīng)用最廣的路線，包括禾賽、華為、圖達(dá)通、鐳神智能等大多數(shù)廠商都有采用轉(zhuǎn)鏡路線的產(chǎn)品。轉(zhuǎn)鏡路線的核心要素是電機(jī)控制，以及針對(duì)特定波長(zhǎng)高反射率的鍍膜反射鏡。

轉(zhuǎn)鏡一般搭配振鏡或者線光源實(shí)現(xiàn)激光掃描，其中，轉(zhuǎn)鏡用于水平掃描，振鏡或者線光源用于垂直掃描。因此，“轉(zhuǎn)鏡+振鏡”也被常被稱(chēng)為2維掃描，“轉(zhuǎn)鏡+線光源”被稱(chēng)為1維掃描或者1維掃描+電子掃描。

“轉(zhuǎn)鏡+線光源”的優(yōu)勢(shì)在于發(fā)射的是連續(xù)的線光斑，因此垂直方向的分辨率非常高。禾賽AT128的轉(zhuǎn)鏡+電子掃描：

圖片來(lái)源：禾賽

圖達(dá)通falcon激光雷達(dá)采用“轉(zhuǎn)鏡+振鏡”方案，該方案靈活度較高，通過(guò)改變轉(zhuǎn)鏡和振鏡的轉(zhuǎn)速，能夠設(shè)計(jì)靈活的ROI。

圖片來(lái)源：中信證券

MEMS振鏡是另一種掃描路線，主要是速騰聚創(chuàng)在使用，體積較小。由于MEMS微振鏡口徑較大，但在極端振動(dòng)條件下使用時(shí)，良率較低，MEMS方案可能會(huì)被逐漸放棄，速騰聚創(chuàng)在下一代的M3產(chǎn)品中也由MEMS改為了轉(zhuǎn)鏡+電子掃描方式。

圖片來(lái)源：YOLO《Automotive LIDAR Market: Competitive Dynamics, Technology Evolution, and Revenue Trends》（Automotive LiDAR conference 2023, October 3-5 ）

速騰M1P的MEMS掃描：

圖片來(lái)源：速騰聚創(chuàng)

【3】華為96線激光雷達(dá)發(fā)射光路和接收光路是非同軸的，使用各自的透鏡，即旁軸光路，該光路優(yōu)點(diǎn)是成像清晰程度較高，缺點(diǎn)是近場(chǎng)盲區(qū)較大。

目前速騰、禾賽等產(chǎn)品基本都是采用同軸光路。同軸光路是收發(fā)共用一組透鏡，檢測(cè)更為直接，易于對(duì)光路進(jìn)行校準(zhǔn)，近場(chǎng)盲區(qū)小。缺點(diǎn)是成本稍高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，而且成像清晰程度比獨(dú)立的旁軸成像要稍差。

【4】華為96線激光雷達(dá)采用EEL激光器。近些年，多家激光器公司開(kāi)發(fā)多層VCSEL激光器，將發(fā)光功率密度提升了5-10倍，憑借在成本及性能方面的優(yōu)勢(shì)，從目前趨勢(shì)來(lái)看，VCSEL正逐步取代EEL。華為的下一代192線激光雷達(dá)，也采用了VCSEL激光器。

EEL和VCSEL的指標(biāo)對(duì)比：

【5】華為96線激光雷達(dá)采用SPAD作為接收器。在905nm路線下，SPAD/ SiPM替代 APD 已成大勢(shì)。SPAD/SiPM面臨的一個(gè)比較明顯的挑戰(zhàn)是自然光干擾，尤其是強(qiáng)烈日光的干擾。強(qiáng)烈的陽(yáng)光入射會(huì)導(dǎo)致 SPAD單元飽和，并且在恢復(fù)初始狀態(tài)前都無(wú)法吸收光子，因而有可能漏掉真正的反射信號(hào)。

資料來(lái)源：Anant Gupta et al.《Photon-Flooded Single-Photon 3D Cameras》，arxiv，中信證券研究部

所以在強(qiáng)烈的日光下，使用 SPAD/SiPM 的激光雷達(dá)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)探測(cè)距離明顯下降的問(wèn)題。雖然目前已有一些算法進(jìn)行日光干擾的處理，但往往效果并不完美，有時(shí)還會(huì)引入額外噪聲，所以 SPAD 對(duì)自然光的處理還有一些挑戰(zhàn)。

【6】華為96線激光雷達(dá)處理器采用了TDA4和FPGA，分立程度較高。目前激光雷達(dá)的一個(gè)發(fā)展方向是采用集成度越來(lái)越高的SoC，將SPAD、TIA、ADC 等都集成到 SoC 中，進(jìn)一步降低成本，提升性能。具行業(yè)消息，禾賽AT512和一徑科技的EZ6已經(jīng)采用了集成度相當(dāng)高的SoC處理器。

來(lái)源：禾賽科技招股書(shū)

【五】總結(jié)

華為96線激光雷達(dá)發(fā)布于2020年，雖然從指標(biāo)上看，比現(xiàn)在的主流產(chǎn)品稍顯落后，不過(guò)在相當(dāng)多的技術(shù)方案上，和目前主流的激光雷達(dá)發(fā)展方向契合。

2023年12月26日，華為發(fā)布192線激光雷達(dá)。

華為192線激光雷達(dá)采用VCSEL+SPAD收發(fā)鏈路，以及轉(zhuǎn)鏡+電子掃描架構(gòu)。具體參數(shù)：

測(cè)距：250米（最遠(yuǎn)），180米（10%反射率）

點(diǎn)云密度：184萬(wàn)點(diǎn)/秒

水平角分辨率：0.25°（@20Hz掃描），0.125°（@10Hz掃描）

垂直分辨率：0.1°

掃描頻率：最高20Hz

審核編輯：黃飛

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