固態(tài)LiDAR發(fā)展前景淺析

目前，直接切入全固態(tài)LiDAR或者正朝著全固態(tài)LiDAR轉(zhuǎn)型的國(guó)內(nèi)外企業(yè)數(shù)量已逐步超越機(jī)械式LiDAR和混合固態(tài)LiDAR領(lǐng)域。

1. Quanergy（美國(guó)）

在全固態(tài)LiDAR領(lǐng)域最吸睛的公司則是Quanergy。Quanergy成立于2012年，總部位于硅谷中心的加州桑尼維爾，其領(lǐng)先的固態(tài)LiDAR傳感器和軟件可實(shí)時(shí)捕獲和處理高清3D地圖數(shù)據(jù)和進(jìn)行對(duì)象偵測(cè)、跟蹤和分類，應(yīng)用領(lǐng)域包括運(yùn)輸、安防、地圖和工業(yè)自動(dòng)化等。Quanergy的LiDAR傳感器在六大關(guān)鍵商業(yè)化指標(biāo)（成本、性能、可靠性、尺寸、重量和功率效率）上均處于領(lǐng)先地位，同時(shí)滿足利用固態(tài)技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模部署所要求的耐久性和可靠性。

Quanergy采用光學(xué)相控陣技術(shù)，于2017年推出的S3是全球首款、也是唯一一款汽車級(jí)固態(tài)LiDAR系統(tǒng)，在成本、性能和可靠性方面均處于行業(yè)領(lǐng)先地位。

2. LeddarTech（加拿大）

LeddarTech成立于2007年，總部位于加拿大，專注于為自動(dòng)駕駛汽車和駕駛輔助系統(tǒng)開(kāi)發(fā)自己的LiDAR技術(shù)。其將在CES 2018（2018年1月9~12日在美國(guó)拉斯維加斯舉辦的國(guó)際消費(fèi)電子展）重磅展出LeddarCore LCA2芯片——業(yè)界首款能夠?qū)崿F(xiàn)車用LiDAR大規(guī)模量產(chǎn)的3D固態(tài)LiDAR芯片，包括LCA2 芯片工程樣品，以及基于LCA2的3D泛光（Flash）LiDAR模組。同時(shí)展出的還包括目前仍處于開(kāi)發(fā)階段的LiDAR系統(tǒng)分立方案LeddarCore LCA3，首款樣品計(jì)劃將于2018年推出。

3. Oryx Vision（以色列）

以色列初創(chuàng)公司Oryx Vision創(chuàng)立于2009年，目前，已經(jīng)通過(guò)一輪融資募集了1700萬(wàn)美元，以為自動(dòng)駕駛汽車開(kāi)發(fā)固態(tài)深度視覺(jué)解決方案。該公司近期發(fā)布了一款新型LiDAR傳感器，利用了長(zhǎng)波紅外激光器來(lái)追蹤路面上的物體。Oryx的相干光LiDAR系統(tǒng)使用一種被稱為“納米天線”的技術(shù)，不像激光雷達(dá)那樣通過(guò)光電傳感器來(lái)偵測(cè)光線粒子，而是根據(jù)光的“波粒二象性”以波的形式使用納米天線來(lái)感知反射回來(lái)的信號(hào)（光）。這款新型LiDAR傳感器納米天線可以接收波長(zhǎng)為10微米的電磁波，這種波長(zhǎng)能有效穿透煙霧，而且不會(huì)像激光雷達(dá)那樣受強(qiáng)光影響。

4. XenomatiX（比利時(shí)）

XenomatiX成立于2013年，總部位于比利時(shí)魯汶。其LiDAR沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)部件，尺寸小、功耗低，基于成熟的半導(dǎo)體元器件，創(chuàng)新的投影模式保證了出色的耐久性。通過(guò)數(shù)千束激光的同時(shí)照明，分辨率達(dá)到每秒百萬(wàn)次的測(cè)量，從而能識(shí)別汽車周圍的任一細(xì)節(jié)事物。使用平行的低功率激光束，利用電荷積分飛行時(shí)間（ToF）法來(lái)測(cè)量距離，工作范圍達(dá)200米。

5. Continental（德國(guó)）

德國(guó)大陸集團(tuán)（Continental）創(chuàng)始于1871年，是具有百年歷史的跨國(guó)性企業(yè)集團(tuán)，世界領(lǐng)先的汽車配套產(chǎn)品供應(yīng)商之一。大陸集團(tuán)依靠強(qiáng)大的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)的短距激光雷達(dá)SRL1成為一款可靠且高效的固態(tài)LiDAR，無(wú)需任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件即可實(shí)現(xiàn)正面碰撞檢測(cè)等應(yīng)用。SRL1提供基于紅外激光技術(shù)的緊急制動(dòng)輔助功能，且已經(jīng)在微型車上使用。Continental于去年買(mǎi)下美國(guó)的3D泛光（Flash）激光雷達(dá)公司Advanced Scientific Concepts，在今年的法蘭克福車展上，大陸這一采用Flash技術(shù)方案的固態(tài)激光雷達(dá)也出現(xiàn)在展示區(qū)，設(shè)計(jì)探測(cè)距離達(dá)到200米。

6. TetraVue（美國(guó)）

TetraVue成立于2008年，總部位于美國(guó)加州。其獨(dú)創(chuàng)的“光切片（Light Slicer）”專利技術(shù)，集成了固態(tài)激光雷達(dá)發(fā)射單元，深度感知攝像頭，以及標(biāo)準(zhǔn)的CMOS和CCD像素技術(shù)等一系列傳感器和算法，能夠通過(guò)時(shí)間維度和距離維度的量測(cè)，利用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS傳感器測(cè)算光學(xué)強(qiáng)度信息。

7. Blackmore（美國(guó)）

Blackmore總部位于美國(guó)蒙大拿洲博茲曼，是研發(fā)緊湊型調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）LiDAR的領(lǐng)導(dǎo)者，并提供配套的分析工具軟件。產(chǎn)品可應(yīng)用在關(guān)鍵任務(wù)、汽車、軍事和工業(yè)環(huán)境，這些應(yīng)用場(chǎng)景中，傳統(tǒng)的光電/紅外傳感器和直接探測(cè)3D成像則受到成本和性能規(guī)格限制。

8. Strobe / GE（美國(guó)）

Strobe是從OEwaves獨(dú)立出來(lái)的一家專注于自動(dòng)駕駛汽車LiDAR開(kāi)發(fā)的創(chuàng)業(yè)公司。OEwaves由Strobe公司主要?jiǎng)?chuàng)始人之一創(chuàng)辦于2000年8月，核心技術(shù)包括光電振蕩器（OEO）和“回音壁模式（whispering gallery mode）”光學(xué)諧振腔。Strobe于2017年10月被通用（GE）收購(gòu)。收購(gòu)時(shí)Strobe僅有12名員工，該公司專注于為自動(dòng)駕駛汽車開(kāi)發(fā)100美元以下的全固態(tài)LiDAR。Strobe模仿線性調(diào)頻雷達(dá)開(kāi)發(fā)了一種線性頻率調(diào)制（FM）激光，其線性脈沖的頻率能夠線性變化。探測(cè)器通過(guò)測(cè)量反射的線性調(diào)頻脈沖激光的相位和頻率，不僅能夠獲得物體的距離信息，還能測(cè)量其相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

9. 光珀智能（中國(guó)）

光珀智能（Genius Pros）位于中國(guó)杭州，該公司推出了“光珀第一代ToF傳感器芯片”，基于這樣的芯片，構(gòu)建了三個(gè)固態(tài)面陣式激光雷達(dá)技術(shù)平臺(tái)，分別滿足不同距離下（近、中、遠(yuǎn)），強(qiáng)陽(yáng)光下（100Klux），大場(chǎng)景（70?），高精度（《1%），高空間分辨率（0.06?V）等三維感知需求。這三個(gè)技術(shù)平臺(tái)可以服務(wù)于智能安防、機(jī)器人的導(dǎo)航與避障、無(wú)人駕駛的環(huán)境感知。特別是在無(wú)人駕駛領(lǐng)域，光珀的傳感器滿足了量產(chǎn)無(wú)人車對(duì)激光雷達(dá)低成本、高空間分辨率的兩大需要。

10. 北醒光子（中國(guó)）

北醒光子（Benewake）于2015年成立于北京，專注于固態(tài)激光雷達(dá)的研發(fā)和制造。北醒研發(fā)的CE30，是一款具有大視場(chǎng)角的全固態(tài)激光雷達(dá)。它可同時(shí)輸出132°水平視場(chǎng)、9°垂直視場(chǎng)范圍內(nèi)的灰度與深度信息，且內(nèi)部無(wú)任何機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，以保證更高的可靠性與穩(wěn)定性。

此外，德國(guó)激光雷達(dá)供應(yīng)商Ibeo，國(guó)內(nèi)鐳神智能、速騰聚創(chuàng)等企業(yè)均已在全固態(tài)LiDAR領(lǐng)域布局。顯然，搶占全固態(tài)LiDAR的先機(jī)，就搶食到未來(lái)自動(dòng)駕駛的“香餑餑”，全固態(tài)LiDAR已成為兵家必爭(zhēng)之地。

全固態(tài)LiDAR的派別之爭(zhēng)

激光雷達(dá)測(cè)距方法分為飛行時(shí)間法和三角法兩大類。目前，汽車全固態(tài)激光雷達(dá)大多采用飛行時(shí)間法。

激光雷達(dá)測(cè)距方法

按照全固態(tài)LiDAR發(fā)射端照明方式可以分為激光多束發(fā)射、可操縱或相控陣列、泛光面陣發(fā)射三種模式。

按照全固態(tài)LiDAR探測(cè)端的接收技術(shù)，可以分為相干接收技術(shù)和直接接收技術(shù)。直接接收技術(shù)是接收光子能量的直接形式，優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單和成熟。相干接收技術(shù)的接收靈敏度，速度分辨率高，但需要接收機(jī)的頻帶特別寬，對(duì)激光發(fā)射的頻率穩(wěn)定度的要求也高，對(duì)光學(xué)天線系統(tǒng)和機(jī)內(nèi)光路的校準(zhǔn)的要求更嚴(yán)格，信息處理單元更復(fù)雜。

全固態(tài)LiDAR按照發(fā)射端的光波特性和接收端的探測(cè)技術(shù)進(jìn)行分類及代表企業(yè)

光學(xué)相控陣LiDAR

在光學(xué)相控陣（OPA，Optical Phased Array）LiDAR中，相控陣發(fā)射器由若干發(fā)射接收單元組成陣列，通過(guò)改變加載在不同單元的電壓，進(jìn)而改變不同單元發(fā)射光波特性（如光強(qiáng)、相位），實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)單元光波的獨(dú)立控制，通過(guò)調(diào)節(jié)從每個(gè)相控單元輻射出的光波之間的相位關(guān)系，在設(shè)定方向上產(chǎn)生互相加強(qiáng)的干涉從而實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度光束，而其它方向上從各個(gè)單元射出的光波彼此相消，因此，輻射強(qiáng)度接近于零。組成相控陣的各相控單元在程序的控制下，可使一束或多束高強(qiáng)度光束的指向按設(shè)計(jì)的程序?qū)崿F(xiàn)隨機(jī)空域掃描（對(duì)此原理不理解的“筒子”，可以復(fù)習(xí)下光柵衍射的物理現(xiàn)象）。

Quanergy光學(xué)相控陣LiDAR S3工作原理示意圖

光學(xué)相控陣LiDAR具有掃描速度快（一般都可以達(dá)到MHz量級(jí)以上）、掃描精度或指向精度高（千分之一度量級(jí)以上）、可控性好（除對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行高密度的掃描外，在其它區(qū)域也能進(jìn)行稀疏掃描）等優(yōu)點(diǎn)。

但光學(xué)相控陣的制造工藝難度較大，這是因?yàn)橐箨嚵袉卧叽绫仨毑淮笥诎雮€(gè)波長(zhǎng)，一般目前激光雷達(dá)的工作波長(zhǎng)均在1微米左右，這就意味著陣列單元的尺寸必須不大于500納米。而且陣列數(shù)越多，陣列單元的尺寸越小，能量越往主瓣集中，這就對(duì)加工精度要求更高。此外，材料的研究和選擇也是非常關(guān)鍵的因素，到目前為止，鈮酸鋰晶體、PLZT壓電陶瓷、液晶和AlGaAs基波導(dǎo)光學(xué)相控已得到開(kāi)發(fā)。未來(lái)，器件方面，進(jìn)一步減小相控陣單元尺寸，提高衍射效率，減小器件尺寸；更為根本的材料研究方面，開(kāi)發(fā)工作在中波紅外、長(zhǎng)波紅外、紫外波段的液晶材料，以及繼續(xù)尋求具有大雙折射、響應(yīng)速度快、熱穩(wěn)定性高、耐強(qiáng)激光的高性能電光材料，同時(shí)發(fā)展對(duì)中長(zhǎng)波和紫外波段具有較好透過(guò)率的電光材料，以擴(kuò)展光學(xué)相控陣器件的應(yīng)用領(lǐng)域。

調(diào)頻連續(xù)波LiDAR

調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）LiDAR采用線性調(diào)頻信號(hào)，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生線性調(diào)頻鋸齒脈沖射頻信號(hào)對(duì)連續(xù)波半導(dǎo)體激光器輸出的激光進(jìn)行線性調(diào)頻強(qiáng)度調(diào)制。調(diào)制后激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直和擴(kuò)束后發(fā)射出去。激光探測(cè)到目標(biāo)后，一部分激光反射到光電探測(cè)器上，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而提取中頻信號(hào)獲得目標(biāo)的距離信息。

調(diào)頻連續(xù)波LiDAR測(cè)距原理

調(diào)頻連續(xù)波LiDAR概念并不新穎，但是面對(duì)的技術(shù)挑戰(zhàn)不少，例如發(fā)射激光的線寬限制、線性調(diào)頻脈沖的頻率范圍、線性脈沖頻率變化的線性度，以及單個(gè)線性調(diào)頻脈沖的可復(fù)制性等。Strobe采用光電振蕩器（OEO）和“回音壁模式（Whispering Gallery Mode）”光學(xué)諧振腔來(lái)解決以上問(wèn)題，其激光光源可以提供具有15 GHz或以上帶寬的線性調(diào)頻脈沖激光，使LiDAR系統(tǒng)的距離分辨能力可以下探至厘米級(jí)以下。

Strobe董事會(huì)成員Brower曾在2015年發(fā)布的論文談到他的LiDAR發(fā)射端設(shè)計(jì)與OPA類似，或用于Strobe的調(diào)頻連續(xù)波LiDAR

納米天線陣列LiDAR

Oryx Vision憑借納米天線陣列LiDAR，找到了困擾自動(dòng)駕駛汽車商業(yè)化的主要問(wèn)題：如何平衡探測(cè)距離、精度和成本三者的關(guān)系。Oryx Vision深度傳感器可以檢測(cè)到150米遠(yuǎn)的微小物體，它既可以在暗夜里工作，也不會(huì)受直射的陽(yáng)光影響，而即使在雨霧等極端天氣條件下也可以穩(wěn)定工作。Oryx Vision傳感器可以無(wú)縫集成到車輛的四周，一組這樣的傳感器不但可以提供360°范圍的高性能的景深探測(cè)覆蓋，而且價(jià)格低廉。

Oryx Vision使用的是長(zhǎng)波太赫茲紅外激光的激光器，因?yàn)檫@種紅外光人眼不可見(jiàn)，功率更高。而這種紅外光還很難被水吸收，不會(huì)被云霧、強(qiáng)烈的陽(yáng)光直射所干擾。當(dāng)發(fā)射出的激光反射回傳感器時(shí)，光學(xué)器件將反射回的入射光引導(dǎo)到大量極小的整流納米天線上。入射光在被整流的天線中產(chǎn)生AC響應(yīng)，換句話說(shuō)，被轉(zhuǎn)換成DC信號(hào)。該系統(tǒng)的靈敏度是傳統(tǒng)LiDAR的上百倍。因?yàn)樘炀€將入射光處理為波，所以它們還可以檢測(cè)到多普勒效應(yīng)（由于其反彈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的頻率變化），并且由此還可以確定在道路中或附近的其它物體的速度。

Oryx Vision采用的納米天線只有25平方微米，使用薄膜芯片制造工藝直接在集成電路上制造

每個(gè)納米天線只有5 x 5平方微米，使用薄膜芯片制造工藝在硅晶圓上形成陣列，成本相當(dāng)?shù)土?。而且這將使得信號(hào)被饋送到機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)相當(dāng)簡(jiǎn)單，而這個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以對(duì)場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行分類，從而使得對(duì)場(chǎng)景的感知更加智能化。

泛光（Flash）面陣式LiDAR

泛光面陣式是全固態(tài)LiDAR中最主流的技術(shù)之一。

泛光面陣式LiDAR的激光光源主要有兩種方式：脈沖和連續(xù)波，分別對(duì)應(yīng)脈沖飛行時(shí)間（pToF，PluseToF）LiDAR和連續(xù)波飛行時(shí)間（cwToF，Continuous Wave ToF）LiDAR。pToF LiDAR采用脈沖，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)（如100米以上）；而cwToF LiDAR采用連續(xù)波，主要進(jìn)行近距離探測(cè)（如數(shù)十米）。泛光面陣式LiDAR屬于非掃描式LiDAR，通過(guò)脈沖或連續(xù)波捕獲整個(gè)場(chǎng)景，而非用激光束逐點(diǎn)掃描。由于探測(cè)電子返回脈沖和帶寬較寬的弱點(diǎn)，泛光面陣式LiDAR易受噪聲影響，而閾值觸發(fā)可引起測(cè)量誤差Δt。

cwToF LiDAR、pToF LiDAR、雷達(dá)和超聲波傳感器的參數(shù)對(duì)比

由激光雷達(dá)的理論可知，在功率受限的情況下，要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)的探測(cè)距離，則要求大的脈沖時(shí)寬，而要實(shí)現(xiàn)高的探測(cè)精度，則需要大的帶寬，簡(jiǎn)單脈沖時(shí)寬帶寬乘積接近于1，時(shí)寬與帶寬相互關(guān)聯(lián)，不能同時(shí)增大時(shí)寬與帶寬。pToF LiDAR則通過(guò)增益調(diào)制式脈沖激光源，可以解決采用連續(xù)波激光器發(fā)射正弦波在對(duì)目標(biāo)成距離像時(shí)限制了激光器的瞬時(shí)功率從而嚴(yán)重影響成像質(zhì)量和測(cè)量范圍的問(wèn)題。