廉价化激光雷达的希望：MEMS激光雷达 vs 固态激光雷达 | 激光雷达技术全景

射频开关本文是激光雷达技术全景系列文章的第二篇。本系列首发，来自公众账号啸语，原创技术观察，写给万分之一的创新者。传送门：一、特斯拉Autopilot系列事故最详细梳理二、廉价化激光雷达的希望：MEMS激光雷达 vs 固态激光雷达三、激光雷达存废之争—技术路线盘点四、论未来出行的商业模式激光雷达迟迟没有在汽车领域大规模应用，原因显然是几万美元的价格太贵了，可能比车还贵。很多人选择钻研深度学习和图像识别来取消激光雷达，也有人选择激光雷达的廉价化。目前激光雷达价格高的原因包括了需求量少，组装和调试成本高。Velodyne公司此前的机械旋转式产品在车用激光雷达领域占据统治地位，后续推出混合固态的产品，成本有所降低，正在逐步研发纯固态激光雷达。Velodyne LiDAR获得百度与福特1.5亿美元的投资，计划到2020年左右成本降至500美金。Waymo（谷歌自动驾驶）和Uber（收购自Otto）自研机械旋转式激光雷达的尝试会在后文提到。禾赛科技、速腾聚创、北科天绘、镭神智能等中国公司也涌入低成本车用激光雷达领域。有公司倾向于取消机械旋转结构、根本性降低激光雷达成本的手段，方法之一就是利用MEMS微振镜（MEMS指的是微机电系统），把所有的机械部件集成到单个芯片，利用半导体工艺生产。选择这一路线的公司包括了：荷兰Innoluce公司（从飞利浦剥离，已经被著名汽车半导体供应商英飞凌全资收购），预计2018年量产，成本不超过100美元，在探测范围和分辨率方面超过其它固态激光雷达，能够实现白天单次发射探测距离250米、角分辨率0.1°，激光功率利用效率大于95%，使用的激光器由欧司朗光电半导体供应。英飞凌公司认为高速运算平台只是系统的一小部分。2016年底，研究超微型投影显示和传感技术的MicroVision公司，和意法半导体合作推广激光束扫描（LBS）技术，应用场景包括了激光雷达，以及微型投影仪、VR、AR和HUD等市场。曾经生产机械旋转式激光雷达的欧姆龙，2017 年初开始在Opus提供的小型 MEMS 芯片基础上，研发激光雷达。日本先锋公司，利用原本用于扫描激光影碟的光学头，生产MEMS激光雷达，“当订单达到100万，先锋便可以把价格控制在100美元以下，预计会在2019年开始量产。”先锋还与高精度地图服务商HERE合作，测绘地图。2017年，博世推出了兼顾激光扫描和投影的BML050方案，包括两个MEMS微镜，可用于交互式投影仪。有新闻报道博世将在2020年前销售激光雷达，暂时无法判断是基于MEMS还是其他技术。奥迪的矩阵式激光车灯，使用微镜（DMD）来控制激光方向，顺便做激光雷达也不错，不需要再给Ibeo的激光雷达腾地方了。激光雷达创业公司 Luminar Technologies，从招聘信息推测，对机械旋转或者MEMS方案的激光雷达有兴趣。其他在微机械设计MEMS领域有技术积累的公司也有可能进入激光雷达领域，或者成为核心零件供应商。另外一个思路是完全取消机械结构，采用相控阵原理实现固态激光雷达：生活中最常见的干涉例子是水波，两处振动产生的水波相互叠加，有的方向两列波互相增强，有的方向正好抵消，将这个原理放大，采用多个光源组成阵列，通过控制各光源发射的时间差，就能合成角度灵活，且精密可控的主光束，这就是相控阵的原理。 激光雷达从机械转动向聚束成形的进化趋势与雷达完全相同：军事上广泛应用的相控阵雷达一般拥有上千个发射天线单元，通过调节波束合成的方式，可以改变雷达扫描的方向而不需要机械部件运转，灵活性很高，适合应对高机动目标，还可发射窄波束作为电子战天线。相控阵还可以用于把宇宙太阳能电池板的能量传回地面，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）已经进行过这方面实验。固态激光雷达的优点包括了：数据采集速度快，分辨率高，对于温度和振动的适应性强；通过波束控制，探测点（点云）可以任意分布，例如在高速公路主要扫描前方远处，对于侧面稀疏扫描但并不完全忽略，在十字路口加强侧面扫描。只能匀速旋转的机械式激光雷达是无法执行这种精细操作的。固态激光雷达的典型代表是美国的Quanergy公司，单面相控阵最大视角120度。预生产的S3激光雷达计划在2017年交货，价格250美元，5年内低于 100 美元。最早搭载Quanergy激光雷达感应器的车辆将在2018年面市。已经获得了大型汽车零部件供应商德尔福，以及三星电子的战略投资。Quanergy还在与Koito合作整合激光雷达的汽车前照灯。 这张图可以看到Quanergy用光源阵列来合成波束 Quanergy将固态激光雷达的推荐方案与友商进行了对比，认为可以实现低于多摄像头方案的传感器成本。 2014年参与 Quanergy 种子轮和A轮的是特斯拉创始团队Martin Eberhard等人组建的 Wardenclyffe Partners，当时Elon Musk是投资人之一。Wardenclyffe Partners的公开投资案例只有Quanergy一家。2016年Quanergy收购了著名军工企业雷神公司的人体跟踪软件，开始进军安全行业。2017年3月，Quanergy申请参与特朗普总统的“美丽的边境墙”计划。Quanergy CEO认为安全行业的市场规模与汽车行业相当，试图说服美国总统弃用混凝土，而选择更便宜的 Q-Guard 虚拟围栏。其他激光雷达厂商没有参与这个竞争。特朗普要求美墨边境墙覆盖建筑和供电困难的沙漠、山脉等环境，同时生产太阳能电池板和储能系统的特斯拉也可以参与给Quanergy的方案供电，当然要讨好消费者的特斯拉大概不敢接这笔生意吧，已经有uber的教训了。法国汽车零部件供应商法雷奥，2010年与德国激光雷达供应商 Ibeo 合作开发并量产的SCALA高精度机械式激光雷达，最大检测距离为150m，法雷奥在此激光雷达基础上，加上Mobileye，开发了Cruise4U 自动驾驶解决方案。2016年采埃孚收购了Ibeo40%的股份，以帮助Ibeo研发固态激光雷达，也在研究更高效的数据标定。法雷奥的合作伙伴不止Ibeo，2014年法雷奥与加拿大的 LeddarTech 合作开发固态激光雷达，由LeddarTech提供技术和专利，计划2018年量产，照射距离最远为100m。激光雷达技术提供商 LeddarTech 从加拿大国家光学研究所分离。该公司的 Leddar M16 固态激光雷达，在参加 BattleBots 机器人格斗比赛的 Chomp 机器人上得到了应用，Chomp借助激光雷达的精确测距，实现了气压锤的自动瞄准，成功干掉了上届冠军Bite Force的武器传动链条。这大概是目前为止，搭载固态激光雷达的最著名机器人。在动辄被撞飞的激烈比赛当中，机械旋转式激光雷达的可靠性值得怀疑（波士顿动力给旗下机器人配备的激光雷达是机械旋转式）。2016年9月，LeddarTech 开卖模块化 Vu8 固态激光雷达，售价475美元，检测距离215米。2017 CES上，LeddarTech展示了下一代LeddarCore芯片，支持MEMS微镜和2D/3D Flash 激光雷达。TriLumina公司为激光雷达提供高功率的可调制光源VCSEL，2016年获得汽车供应商电装的战略投资。TriLumina在 2017 CES 展示了基于 LeddarCore IC 的256像素3D激光雷达解决方案。2015年 DARPA启动了“模块化光学孔径构造模块”（MOABB）项目，以研发超紧凑的光学雷达，实现100米远距离处的3D成像，采用晶圆级加工工艺进行一体化集成，比手机摄像头更小，典型场景是：“在直升机或无人机上检测丛林下的狙击手或坦克”。MIT的片上激光雷达（lidar-on-a-chip）项目，特点在于使用商用CMOS生产技术，连接激光器的是横截面为几百纳米的硅波导管（可以想象成极小的光纤），对其进行加热来实现每个天线的光束相位控制。预计成本10美元，有可能封装到机器人的指尖上。TetraVue的高分辨率激光雷达，将标准的2D CMOS/CCD，结合新的飞行时间（TOF）模式，距离100米以上，低于200美元，投资者包括博世资本、三星、鸿海等。以色列初创公司 Innoviz Technologies 的激光雷达预计100美元，已经获得900万美元融资，并且与汽车供应商麦格纳达成合作。表示其使用的方法与Quanergy或者MIT的不同，但是无法搜到其专利，具体细节和区别无从判断。Princeton Lightwave在2016年7月宣布进入车用激光雷达领域，该公司擅长盖革模式激光雷达（Geiger-mode LiDAR），探测距离更远，已经在航空测绘领域应用十几年。上海思岚科技已经推出了面向扫地机器人的廉价激光雷达，同时也在研究固态激光雷达。从无人机激光雷达起家的北醒光子，正在研发多线长距和固态激光雷达。Blackmore开发的调频连续波（FMCW）激光雷达，并没有采用最容易理解的主流飞行时间法（Time of Flight, ToF），而是通过测量反射波的频率改变来测距，精度更高，原理与传统雷达类似；通过分离多普勒频移，可以同时提供目标速度数据，不受雾、雨雪、灰尘影响。该公司获得350万美元A轮投资。ADI亚德诺半导体从Vescent公司购买了可用于改变光束方向的液晶光导技术，还与提供固态照明模块的TriLumina公司，合作开发低成本的汽车快闪激光雷达模组。 初创公司Phantom Intelligence在与欧司朗光电半导体合作研制固态激光雷达。事实上有一些照明公司利用欧司朗的高功率红外LED，实现了“灯 to 灯”的光通信。这让人好奇，激光雷达能否作为 DSRC 和 LTE-V2X 之外的补充性车际通信手段。雷达用来通信不是异想天开，美国曾经测试过，利用F-22猛禽战斗机的 AN/APG-77主动电子扫描阵列（AESA）雷达进行大容量实时通信，传输对于目前军用数据链过大的未压缩文件，而光在电磁波谱当中，频率比无线电更高，所以可以做到巨大的潜在带宽。回到激光雷达的话题。2016年3月，德国汽车供应商大陆集团（Continental）收购了 Advanced Scientific Concepts 的3D Flash激光雷达业务，开发探测距离200米的高分辨率3D Flash激光雷达，2020年量产。以色列初创公司 Oryx的相干光雷达（coherent optical radar）发射端采用长波太赫兹红外激光脉冲，天气适应性强，没有任何光束的转向控制，核心竞争力在于接收端，不像其他激光雷达那样通过光电传感器来侦测光线粒子，而是根据光的“波粒二象性”以波的形式使用纳米天线阵列接收返回信号，并且进行相干处理，同时实现了多普勒模式以检测目标速度。检测距离150米，预计100到250美元，已经完成1700万美元A轮融资。未完待续…… 特约稿件，未经授权禁止转载。详情见转载须知。