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從三大重要演進趨勢探尋雷射雷達的“上車”之路
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智慧駕駛戰場的火熱已成常態,且在全球主流Tier1以及通用、穀歌、特斯拉等科技巨頭的持續推動下,產業發展高潮迭起。而作為智慧駕駛視覺系統的重要成員之一,雷射雷達也因前者的發展迎來了一個行業集體向前邁步的高潮,需求量近年來正快速攀升,並持續出現供不應求的局面。隨著車載應用市場的逐步增長以及產業的縱深發展,未來低成本、小型化以及固態化的雷射雷達產品將持續佔據主導地位,並協同主流感測器共同推進智慧駕駛技術的穩步前進。

車載LiDar市場快速成長 低成本及小型化成主基調
得益於自動駕駛這一全新的“殺手級”應用,雷射雷達產業近年來受到了前所未有的關注,產業規模正飛速成長。據全球主流市場研究機構的資料顯示,2016年車載雷射雷達市場規模僅為6500萬美元,但隨著自動駕駛技術的縱深發展,2024年全球車用雷射雷達市場規模有望增長至2.232億美元。此外,其他領域應用市場也在暴增,預計在2022年整個市場份額可達52億美元,並將在未來五年內保持25.8%的高增長態勢,未來十年也將持續保持兩位數的增長。

而如今的雷射雷達產業,儼然已成為一個創業江湖。在全球頂級Tier1以及車廠的鼎力助推下,以Velodyne、Quanergy、Innoviz為代表的主流雷射雷達廠商相繼開始了一波又一波的融資進程。舉例來講,剛成立不久的以色列Oryx Vision如今的總融資額就高達1.17億美元;而該領域的全球領導者Velodyne也在去年8月拿到了百度和福特高達1.5億美元的投資,而隨著時間的推移,已有越來越多的巨頭開始投資該公司;此外,由於受到德爾福以及麥格納等國際汽車供應商巨頭的關注,于2016年成立的Innoviz Technologies公司如今也融到了7400萬美元的金額。

市場形勢雖一片向好,但雷射雷達想要成功實現車載化,還必須解決成本、體積等一系列核心問題。深圳市鐳神智能系統有限公司CEO胡小波介紹:“從特斯拉的自動駕駛技術來看,他們利用攝像頭、毫米波以及超聲波的視覺組合方案其實已經做到了一個很高的水準,但還老出事,最終的一個重要原因我想就是沒有裝載雷射雷達,甚至是單線的雷射雷達。因為之前在國外,單線雷射雷達十分昂貴,比如德國西克的一台100米探測範圍的產品售價就高達好幾萬元,特斯拉也只能敬而遠之。以此類推,線束更高的產品售價也就更高,如Velodyne的16線雷射雷達的售價就高達8000美元以上,32線以及64線的就更貴,64線的雷射雷達基本上是8萬美金左右,且目前都沒有任何降價的趨勢。此外,64線感測器的體積也太大,這種LiDar頂在車頂上不僅比較難看,而且風的阻力也會很大,因此只有將雷達體積做小以及成本降低才能夠真正讓其在車載領域批量應用起來。”

為此,全球各地的LiDar廠商也都使出了渾身解數。比如行業第一的Velodyne就主張將LiDar感測器中所有笨重且昂貴的硬體壓縮到一到兩個晶片當中,據編者瞭解,他們的固態雷射雷達採用了氮化鎵(GaN)單片積體電路進行設計,採用自訂專用IC,來加固元件和縮小感測器體積,從而進一步提升可靠性和降低成本,據悉該產品在大規模應用後成本可以低於50美金;而通用近期收購的Strobe公司也主張將雷射雷達“晶片化”,並宣稱可將整個感測器做成單一的晶片,從而將雷射雷達的成本減少99%,但其真實性還有待考證;此外,還有諸如荷蘭Innoluce公司、歐姆龍以及日本先鋒公司也都在跟進雷射雷達晶片化的解決方案。

作為中國雷射雷達領域的領先廠商,鐳神智能也在降低成本及小型化等方面做了很多工作,胡小波表示:“我們通過搭建自己的專用晶片設計團隊,將雷射雷達裡面的專用ASIC晶片進行自主設計,目前第一款晶片在今年6月份就已經流片,而且也基本上能拿到晶片做相應的測試。因為雷射雷達裡需要多路設計,多路中每一路用單片去做的話就需要單個的跨阻放大以及一些高頻的運放電路,而我們則是通過一個晶片將這些東西全部集成進去,因此成本可以做的很低,另外我們也能夠把晶片做到很多路,現在已經在測試16路以及64路的晶片,這一塊如果把這個晶片體積降下來,性能可以快速提升,且成本也能夠大幅度下降,這是我們目前的一大優勢。”

同樣作為車載LiDar江湖的重要成員之一,Trilumina公司所採取的方案則更令人耳目一新,他們主張以LiDAR照明模組來替代LiDAR的掃描系統,進而實現雷射雷達的高可靠、低成本以及小型化的目標。

Trilumina公司CEO黃百海表示:“車載雷射雷達市場很大,預測到2026年其市場總額可達30億美元,但當前的車載雷射雷達體積龐大且價格高昂(一套甚至超過一萬元),難以普及應用。為此,我們通過對LiDAR的照明模組進行重新設計,能使雷射雷達實現低成本、去除移動元件、高可靠性以及擴大市場對技術的採用率的目標。具體來講,我們通過開放一套很小的固態鐳射元件(其成本小於200美元),它可以放在車輛的頭燈、尾燈以及其他位置上,佈置五六套就可以實現傳統車載雷射雷達的功能,不僅成本低,而且也很方便,其中的關鍵技術則是背面發光、未經封裝的一種VCSEL(垂直腔面發射雷射器),這是一套高性能、低成本、體積非常小的鐳射模組,在很小的矽晶圓上集成了超過150個小的發光模組,其中每個都小於1nm,可以分別發射鐳射,同時也能夠進行光束控制。”

“固態化”成研發熱點 多重技術方案競逐市場
的確,隨著雷射雷達的逐步“上車”,低成本及小型化已成為行業發展的大方向。而在細分領域,更貼近車載級應用的固態產品近期也成為行業競逐的熱點,畢竟成本高、貴且需手工調教的機械旋轉式產品並不適用於當前輔助駕駛技術的研發及自動駕駛車隊的測試領域,這也為廣大LiDar廠商相繼開發固態車載雷射雷達技術鋪平了道路。

有業內人士告訴記者:“與傳統旋轉式掃描不同,固態雷射雷達不包括機械轉動部件(比如滾珠軸承),因此能夠做到更小型且緊湊的設計,不僅資料獲取速度快、解析度高,而且對於溫度和振動的適應性也更強。此外,固態雷射雷達能夠通過波束控制,使探測點(點雲)可以任意分佈,比如在高速公路主要掃描前方遠處,對於側面稀疏掃描也並不完全忽略,在十字路口處則會加強側面掃描,而只能勻速旋轉的機械式雷射雷達是無法執行這種精細操作的。”

具體到技術層面上,固態LiDar產品的開發也擁有很多不同的技術路線。胡小波表示:“目前,鐳神固態雷射雷達主要有三種產品:基於MEMS微鏡掃描技術的LiDar、3DFLASH固態LiDar以及光學相控陣LiDar。具體來講,首先第一種產品主要是通過MEMS微鏡來實現垂直方面的一維掃描,整機360度水準旋轉來完成水準掃描,而其光源是採用光纖雷射器,這主要是由於905納米的管子重頻做不高,重頻一高平均功率就會太大,會影響鐳射管的壽命。而光纖雷射器就不存在這個問題,特別是1.5微米的人眼安全的光纖雷射器,其重頻可以做的很高,通過MEMS的掃描後,每秒的幀率也能夠做上去,每幀鐳射的脈衝點數也可以做上去,同時距離也能夠測的很遠,功率可以做的很大同時也能保證人眼安全;另外一款就是3D Flash的固態雷射雷達,我認為這是固態雷射雷達中最好的一個方案,但目前中國外在這塊的技術成熟度都不夠,信噪還比較低,而我們目前正與一家全球最好的擁有iTOF感光技術的晶片廠商合作,掌握了一些感測器晶片的核心技術,能夠提升信噪比,預計明年三月份第一塊真正的固態640*480圖元的FLASH晶片就會出來,做出來之後雷達的成本會很低,預估應該在150-200美金之間,大批量產的話不會超過150美金;最後,針對相控陣的雷射雷達,我們認為這種產品非常適合用於無人駕駛技術領域,它的雷達精度可以做到毫米級,且順應了未來雷射雷達固態化、小型化以及低成本化的趨勢,但難點在於如何把單位時間內測量的點雲資料提高以及投入成本巨大等問題,不過鐳神目前已取得關鍵性的技術突破,同時結合高校資源也在加快研發進度。”

Trilumina公司也在持續發力當下火熱的固態雷射雷達領域,黃百海告訴記者:“我們的核心技術在於固態鐳射模組產品,比如我們有一款模組大小類似於一個50美分或1美元的硬幣(7*7mm),裡面包括鐳射發射的時間控制回路等一套完整的東西,在1平方毫米的晶片尺寸上有超過150個鐳射單元,且鐳射是倒封裝上去的,因此所有的連接都在一側,不需要其他後鏡系統來控制雷射光束,晶圓表面封裝分為13個透鏡,晶片可以固定在任何地方,且晶片上數以百計的鐳射發射單元分別由自己的透鏡來控制。採用這種技術有很多優勢,首先,由於是直接用封裝技術將發光陣列封裝到晶片中,因此不會存在連接線;其次,有一體化的晶圓大小的微型透鏡刻在晶圓背面,而且成本非常低,可以在一個7寸的晶圓上做出好幾千個發光單元,空間利用率很高;最後,可靠性高,由於沒有移動部件,因此中間不需要連接基礎線,所有東西都是固向的。”

基於該技術,Trilumina公司也正與合作夥伴共同開發多種不同的車載雷射雷達架構,黃百海補充到:“當前,我們正在開發的所有雷射雷達都是固態的產品,沒有任何的移動部件。比如我們目前在做的固態雷射雷達稱為Flash LiDar,它沒有任何晶圓系統,也沒有光束控制系統以及晶圓導向系統,成本非常低並有很好的相容性,這種閃光的雷射雷達不需要光束控制,能同時照亮整個或部分的視野,並容易和其他技術共存,且在車上大量裝載我們的雷射雷達系統時彼此之間也不會出現什麼干擾問題,而且我們的工程設計也能夠保證其對眼睛無害。此外,我們最近為客戶開發的一套探測距離200m的車載雷射雷達系統,鐳射元件就非常小,就只占器械中間的一點,上面嵌入了1500個鐳射發射模組,可以在很短的時間內發射鐳射。同時,我們目前也正在參考設計用於全三維的車載雷射雷達系統,低寄生電感使得3納秒的脈寬成為可能,具有高峰值功率、並具備分區域能力和可擴展性能,目前相關的考核和技術認證也在進行當中,進展還不錯,我們希望到2018年能夠拿到美國的車規認證。”

總之,編者認為,隨著多重車載雷射雷達技術的持續縱深發展,未來兼具小型化、低成本化及固態化的雷射雷達產品必然會成為整個市場所熱推主流產品,擔當汽車視覺系統的核心感知部件,而也正式這些技術的反覆運算,使得未來雷射雷達的晶片化成為可能。不過,當前的整個市場仍處於起步階段,未來只有更多更具競爭力的企業持續發力,從根本上去解決雷射雷達的應用需求問題,方能真正助力整個車載雷射雷達產業持續騰飛。(責編:振鵬)
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