固態(tài)激光雷達(dá)在2018為什么沒有火

固態(tài)激光雷達(dá)一直被視為自動(dòng)駕駛和ADAS行業(yè)的皇冠明珠，憑借其低成本、高可靠性和高分辨率的特點(diǎn)，一直被業(yè)界寄予了厚望。固態(tài)雷達(dá)真正優(yōu)勢(shì)在哪里？市面上的固態(tài)激光雷達(dá)公司面臨的挑戰(zhàn)都有哪些？禾賽新發(fā)布的第三代固態(tài)雷達(dá)PandarGT 3.0可否解決這些難題？本文將逐一給出答案。

遲遲沒有出現(xiàn)的固態(tài)激光雷達(dá)元年

激光雷達(dá)行業(yè)有個(gè)怪現(xiàn)象 —— 每年CES，都會(huì)有人會(huì)煞有介事地說，機(jī)械雷達(dá)要被淘汰，明年會(huì)是固態(tài)激光雷達(dá)的元年！一年又一年，固態(tài)雷達(dá)公司的PPT更新了一版又一版，承諾的next month的交貨期明日復(fù)明日，時(shí)不時(shí)還冒出哪家初創(chuàng)固態(tài)公司巨額融資的新聞。“目標(biāo)成本50美元！” —— 一副馬上要改變世界的興奮。

而現(xiàn)實(shí)呢，Waymo頭頂上還是頂著一臺(tái)高線數(shù)的機(jī)械雷達(dá)。世界各地陸續(xù)投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的載人載貨無人車，無一例外地選擇了機(jī)械雷達(dá)。禾賽穩(wěn)定可靠的機(jī)械雷達(dá)銷量不僅沒有受到固態(tài)雷達(dá)的影響，反而在2018年實(shí)現(xiàn)了業(yè)績(jī)數(shù)倍的增長(zhǎng)。

Lyft無人車搭載禾賽激光雷達(dá)

Nuro無人送貨車搭載禾賽激光雷達(dá)

什么是固態(tài)激光雷達(dá)

激光雷達(dá)（LiDAR）是用激光來進(jìn)行三維掃描的傳感器，被廣泛應(yīng)用于無人車和機(jī)器人的各個(gè)領(lǐng)域，通常是一輛無人車上最貴也是最重要的傳感器，售價(jià)高達(dá)數(shù)萬美元。

固態(tài)激光雷達(dá)（Solid-State LiDAR）理論上是完全沒有移動(dòng)部件的激光雷達(dá)。典型技術(shù)路線如光相控陣（Optical Phased Array）和Flash，被認(rèn)為是純固態(tài)的方案。

近年來，業(yè)界也會(huì)籠統(tǒng)地把非完全旋轉(zhuǎn)的激光雷達(dá)統(tǒng)稱為“固態(tài)”。這些技術(shù)方案往往會(huì)有一些微小的移動(dòng)部件，嚴(yán)格意義不能算固態(tài)，但它們同時(shí)又具備了固態(tài)雷達(dá)性能上的很多特點(diǎn)，如分辨率高、有限水平FOV（前向而不是360°）等，因此在討論的時(shí)候被大家統(tǒng)稱為“固態(tài)雷達(dá)”。

固態(tài)雷達(dá)核心優(yōu)勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)

分辨率高

固態(tài)雷達(dá)最明顯的優(yōu)勢(shì)是超高的分辨率。相比于機(jī)械雷達(dá)固定的垂直角分辨率（Velodyne 128線雷達(dá)是0.11°），固態(tài)雷達(dá)由于采用了連續(xù)掃描的方式，其垂直和水平角分辨率在低幀率（比如5Hz）下可以做到0.03°，生成“圖像級(jí)”的效果，是機(jī)械雷達(dá)無法比擬的。

Hesai PandarGT 3.0實(shí)測(cè)點(diǎn)云圖（最近距離20cm）

裝調(diào)效率高（易量產(chǎn)）

傳統(tǒng)機(jī)械雷達(dá)中，40線對(duì)應(yīng)40個(gè)發(fā)射和接收裝置。在線數(shù)增加過程中，裝調(diào)時(shí)間會(huì)顯著增加。相比之下，常見固態(tài)雷達(dá)的技術(shù)方案只包含一個(gè)（或者幾個(gè)）激光發(fā)射器和接收器，因此可以大幅降低其裝調(diào)工藝中對(duì)不同線校準(zhǔn)所產(chǎn)生的工作量，提高生產(chǎn)效率。

除了這兩點(diǎn)，固態(tài)雷達(dá)其他本應(yīng)該有的特性（測(cè)距遠(yuǎn)、可靠性強(qiáng)和成本低），現(xiàn)有市面上所有的固態(tài)雷達(dá)產(chǎn)品都很難同時(shí)滿足，這就決定了這些固態(tài)雷達(dá)方案在短時(shí)間內(nèi)很難被產(chǎn)品化。幾乎所有的固態(tài)雷達(dá)公司的交貨日期都在不斷延期就不足為怪了。

那么，固態(tài)雷達(dá)還必須具備哪些特性，這些特性有可能被實(shí)現(xiàn)么？

測(cè)距遠(yuǎn)

Flash鑒于其全向發(fā)光的物理極限，測(cè)距只能不超過50m，暫且不提。其他固態(tài)激光雷達(dá)最核心的元器件是光學(xué)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，而這些轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)往往由于元器件成熟度所限，無法做到足夠高的光學(xué)效率。相比機(jī)械雷達(dá)成熟的測(cè)遠(yuǎn)性能（近日禾賽官宣的Pandar40P做到了驚人的200m@10%反射率，幾乎已經(jīng)是機(jī)械雷達(dá)的物理極限），根據(jù)最新的公開信息，市面上多數(shù)固態(tài)雷達(dá)的測(cè)遠(yuǎn)性能還在30-65m@10%掙扎。這一定程度上解釋了很多固態(tài)雷達(dá)公司喜歡在室內(nèi)做Demo的原因，30m@10%的產(chǎn)品在封閉的室內(nèi)做Demo效果可以很好，但測(cè)遠(yuǎn)距的問題一上路就會(huì)暴露出來。

Hesai Pandar40P實(shí)測(cè)點(diǎn)云鳥瞰圖

這就帶來另外一個(gè)悖論，一個(gè)只能測(cè)30m的固態(tài)雷達(dá)，還有必要做那么高分辨率么？固態(tài)雷達(dá)分辨率高最大的價(jià)值是遠(yuǎn)距。在200m處，32線的機(jī)械雷達(dá)線垂直間距為1.2m，固態(tài)雷達(dá)可以縮小為0.1m，讓200m外的行人掃到的線數(shù)，可以從2線提高到15線。相反，30m范圍內(nèi)，32線的點(diǎn)密度已經(jīng)足夠，固態(tài)就會(huì)顯得殺雞用牛刀。

可靠性強(qiáng)（易過車規(guī)）

“固態(tài)雷達(dá)沒有旋轉(zhuǎn)部件，容易過車規(guī)?！边@句話被重復(fù)了一百遍，仿佛就變成了真理。然而，它卻是一個(gè)無法被證明的猜想。全世界迄今唯一過車規(guī)的激光雷達(dá)，是Valeo的一款機(jī)械旋轉(zhuǎn)的雷達(dá)。汽車上旋轉(zhuǎn)部件有上百個(gè)，并沒有阻礙它們過車規(guī)。

相反，固態(tài)雷達(dá)的掃描器器件往往是一個(gè)不成熟的全新的零件，會(huì)面臨更多的量產(chǎn)工藝和可靠性的問題，在成熟的供應(yīng)商出現(xiàn)之前，這個(gè)核心部件可靠性的問題是很多固態(tài)雷達(dá)公司一道無法逾越的鴻溝?！安环€(wěn)定”，“無法量產(chǎn)”是過去兩三年里固態(tài)雷達(dá)公司的普遍狀態(tài)。Demo可以很美好，但是想要把一個(gè)全新的設(shè)計(jì)做到和傳統(tǒng)雷達(dá)一樣穩(wěn)定可靠，是非常有挑戰(zhàn)的事情。

成本低

固態(tài)雷達(dá)得益于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和較少的元器件數(shù)量，成本會(huì)有所降低。然而，鑒于很多固態(tài)雷達(dá)公司為了提高性能，選用了昂貴的激光器（數(shù)千美元的光纖激光器）或者昂貴的掃描機(jī)構(gòu)，反而導(dǎo)致整套系統(tǒng)成本更高。加上固態(tài)雷達(dá)無法獨(dú)立完成360°掃描，多個(gè)雷達(dá)的拼接也會(huì)進(jìn)一步增加系統(tǒng)成本。

禾賽：第三代固態(tài)雷達(dá)PandarGT 3.0

PandarGT 3.0實(shí)物圖

（H×L×W：96mm×113mm×126mm）

自2017年12月發(fā)布PandarGT（GT = GuTai）以來，禾賽團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了一年多的潛心迭代，終于在2019年初交出了一份滿意的答卷——PandarGT 3.0.這其中數(shù)不清的失敗的嘗試和彎路自不必說?？匆欢瓮暾穆窚y(cè)視頻：

Hesai PandarGT 3.0實(shí)測(cè)視頻合集（3min）

Hesai PandarGT 3.0實(shí)測(cè)點(diǎn)云 （世博園）

Hesai PandarGT 3.0實(shí)測(cè)點(diǎn)云

（世博園，頂視圖）

簡(jiǎn)單總結(jié)，我們做對(duì)了兩件重要的事情。

一、自研的高速振鏡系統(tǒng)

秉承禾賽“研發(fā)一代、部署一代、推廣一代”的產(chǎn)品體系，在禾賽剛開發(fā)機(jī)械激光雷達(dá)產(chǎn)品的初期，即開始了對(duì)微振鏡器件的研發(fā)設(shè)計(jì)，歷經(jīng)數(shù)十次的工藝迭代和振鏡結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)和角反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)，終于打磨出了一款顯著提升光學(xué)性能的微振鏡，可以在-40℃到120℃長(zhǎng)期使用，且抗沖擊性強(qiáng)，其溫度適用范圍遠(yuǎn)優(yōu)于市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品，為微振鏡固態(tài)激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)車規(guī)化提供了重要保障。

PandarGT 3.0振鏡在120℃恒溫下長(zhǎng)期測(cè)試

PandarGT 3.0振鏡及市場(chǎng)上相似產(chǎn)品溫度使用范圍

這款振鏡不僅擁有超高的光學(xué)接收效率以增強(qiáng)測(cè)距能力，其震動(dòng)頻率可實(shí)現(xiàn)1500線/s的掃描能力，使GT 3.0在5Hz和10Hz工作模式下分別為300線和150線，即使是150m外的行人，依然可以有效感知。

PandarGT 3.0 行人走遠(yuǎn)（20m-150m）探測(cè)效果

二、自研的光纖激光器

為了實(shí)現(xiàn)300m@10%的測(cè)距能力，GT 3.0采用1550nm光纖激光器作為光源，該波段人眼安全閾值遠(yuǎn)高于905nm激光器，因而更適用于遠(yuǎn)距離探測(cè)。但因?yàn)楣饫w激光器使用溫度范圍有限且體積較大，目前市場(chǎng)上同類產(chǎn)品通常采用光纖激光器和激光雷達(dá)探測(cè)單元分離的方法來解決這個(gè)問題，將光纖激光器置于車內(nèi)溫度較低的地方。

這種方式，存在以下幾個(gè)弊端：

會(huì)增大激光雷達(dá)的整體體積

連接探測(cè)單元和光纖激光器模組的光纖和信號(hào)線需要穿過汽車車體走很長(zhǎng)的路徑，極大地增加布線復(fù)雜度和惡化信號(hào)完整性

分體式的光纖接頭極易受到空氣灰塵的影響而毫無預(yù)警地?fù)p壞激光器

市場(chǎng)上現(xiàn)有采用光纖激光器作為光源的

激光雷達(dá)產(chǎn)品示意圖

為了解決這些問題，禾賽自主研發(fā)了光纖激光器及其控制模塊，其體積遠(yuǎn)小于同類型的光纖激光器，使用溫度范圍達(dá)到了-40℃到110℃，滿足車用環(huán)境的溫度要求。除此之外，這款自研的光纖激光器的量產(chǎn)成本在百美金量級(jí)，遠(yuǎn)低于同類產(chǎn)品的市場(chǎng)零售價(jià)。

禾賽自研光纖激光器對(duì)比同類產(chǎn)品

禾賽自主研發(fā)的光纖激光器及其驅(qū)動(dòng)模塊（最高平均功率2.4W，脈沖頻率1MHz, 脈寬1ns），為市場(chǎng)上平均功率超過2W的體積最小光纖激光器之一。

PandarGT 3.0 150m處車流探測(cè)效果

為自動(dòng)駕駛量身定做的功能

一、FOV動(dòng)態(tài)可調(diào)

GT 3.0是一款具有動(dòng)態(tài)調(diào)整功能的智能激光雷達(dá)，其垂直FOV可以實(shí)現(xiàn)5°到20°動(dòng)態(tài)可調(diào)，以適應(yīng)Local和高速兩種不同場(chǎng)景。除此之外，線數(shù)分布具有均勻分布和中心加密兩種模式，在加密模式下，中心處可以實(shí)現(xiàn)0.035°（5Hz刷新率下）和0.07°（10Hz刷新率下）的垂直視場(chǎng)分辨率。除此之外，垂直視場(chǎng)的FOV還能實(shí)現(xiàn)±5°的整體偏置，用于更細(xì)微地去探測(cè)上方或者下方的目標(biāo)物。

PandarGT FOV可調(diào)示意動(dòng)畫

PandarGT FOV動(dòng)態(tài)可調(diào)點(diǎn)云

二、抗干擾能力

GT 3.0延續(xù)了Pandar40P的抗干擾技術(shù)，在多臺(tái)激光雷達(dá)同時(shí)工作的狀態(tài)下，不會(huì)受到其他激光雷達(dá)的干擾，相關(guān)介紹參見「核武器升級(jí)！禾賽Pandar40P的幾個(gè)殺手功能」。

CES室外現(xiàn)場(chǎng)Demo

2019年CES是禾賽歷史上第一次參展，我們將會(huì)在North Hall的室內(nèi)展廳和Platinum Lot的室外場(chǎng)地同時(shí)展出我們的Pandar64/PandarGT 3.0兩款產(chǎn)品。PandarGT 3.0將會(huì)在室外的自動(dòng)駕駛專區(qū)Live現(xiàn)場(chǎng)展出?，F(xiàn)場(chǎng)將會(huì)實(shí)時(shí)展示PandarGT 3.0的測(cè)遠(yuǎn)能力、分辨率、FOV動(dòng)態(tài)調(diào)整功能以及諸多新的雷達(dá)特性，歡迎自動(dòng)駕駛行業(yè)的專家預(yù)約洽談合作（官網(wǎng)可以預(yù)約時(shí)間www.hesaitech.com）。

寫到最后，我想說，2019，一定是固態(tài)激光雷達(dá)的元年