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混合固态激光雷达飞奔在前装量产的道路上，技术路线百花齐放，但多条技术路线都与一个镜子有关，激光厂商有的叫棱镜，有的叫转镜，有的叫MEMS微振镜。镜前描眉擦粉的姑娘在时代的风口，变成了镜前耍枪弄棒的激光厂商。 不是光学科班出身的我，每每被激光供应商的花言巧语、夸大其词所唬住，问不出所以然，更不知其所以然，楞的只能拍手叫好。痛定思痛，决定卧薪尝胆，思过崖闭关，好好梳理、总结下这些镜子的奥秘，以便打破自动驾驶圈激光雷达里“镜子”这一黑话垄断。 正式开始介绍混合固态激光雷达里的镜子之前，有必要先简单介绍一下它的大哥，一位当打之年的勇士，一位迷妹无数的顶流，一位吸金无数的拳王：机械旋转式激光雷达。这位兄台主要包括三大模块：发射模块、扫描模块，接收模块。发射模块和接收模块由一个个激光发射器和接收器堆叠而成，发射模块和接收模块在电机带动下，进行360°旋转，同时在扫描模块发射下，将每条激光线束均匀打到外界被测物体上，同时根据接收反射回来激光的时间，计算被测物体的距离。 机械旋转式激光雷达的原理决定要实现多少线的功能，就需要有多少组激光发射器和接收器。激光雷达的成本、体积、装调难度直接和线束数量成正比，而这种技术方案业界普遍认为是无法实现前装量产的，归纳下来，主要有以下几点原因： （1）成本：主机厂对前装量产的单颗激光雷达价格区间有一个默认的共识：<1000美元，等效线束>64线。机械旋转式激光雷达别说64线，连16线平均价格目前都无法达到这一价格区间。激光雷达的成本主要集中在激光发射器和接收器，因此要达到这一价格区间，必须从降低激光发射器和接收器数量上入手； （2）车规：机械旋转式激光雷达内旋转的大电机和机械扫描部件很难满足主机厂DV试验里的高温耐久、EMC。喜欢抬杠的人会说，雨刮电机为什么可以过车规。试问你在意过雨刮由于电机轴承磨损导致雨刮少或多移动了2mm吗，但是激光雷达在意。作为高精密的传感器，高温耐久、EMC试验过程中，其测距精度、点云质量是要满足试验标准，否则就无法称得上满足车规要求； （3）颜值：大家可能在路上或新闻里都看到过车顶加装有机械旋转式激光雷达的试验车，内心对长了犄角的汽车还是非常好奇。作为测试车、RoboTaxi运营来说，这种造型没有问题，但是要说服消费者去接受，去买单一辆车顶立着锤子一样的机械旋转式激光雷达的车子，还是挺有难度的。故从颜值上来看，这位兄台也尚不具备乘用车前装量产的要求，整形医院或许是他该考虑的事情了； （4）制造：机械旋转式激光雷达的生产制造瓶颈在装调，2017年当高线束的激光雷达还只有Velodyne可以选择的时候，Velodyne供货周期基本在半年到一年，百度这样的大股东拿货都困难，更别提当时初创的自动驾驶公司了。以64线机械旋转式激光雷达为例，每个激光收发器都需要校准一次，共需要64次，且基本全由人工完成。据传最早的时候，激光厂商一月只能生产两台合格的高线束激光雷达。这样的生产制造能力，怎么去满足千万级量的前装量产市场。 鉴于此，各家激光雷达厂商基本都在机械旋转式激光雷达的基础上，推出面向前装量产的混合固态激光雷达，以期可以在成本、车规、颜值、制造能力上尽快达到主机厂的要求，以便可以更早的得到主机厂的宠幸，从此母仪天下，统领后宫。 而在百花争艳、群芳争宠过程中，都与一面神奇的“镜子”有关，下面就逐一介绍群芳手里的“镜子”，了解她们瘦脸、变白、长腿的奥秘。 01棱镜 棱镜路线的代表人物，也是唯一走这一条修炼道路的激光厂商：Livox。Livox的名声大噪并不是因为他的母公司大疆（DJI）在无人机领域的独霸武林，而是在2020年直接推出万元区间内针对L3/L4自动驾驶激光雷达。其独创的非重复扫描技术，0.1s的积分时间内，扫描覆盖率与机械式64线相当，而彼时机械旋转式64线激光雷达的平均价格还在10万人民币左右。业界哗然，质疑、嫉妒与殷羡如潮水般涌来，都想弄清楚这到底是一类什么样的神奇物种？ Livox的思路也非常简单。既然成本主要花在激光收发器的数量上，那我就从减少激光收发器的数量上着手。可是数量减少，怎么实现机械旋转式激光雷达等效高线束的点云效果呢？LIVOX给出的解决方案是采用空间激光通信领域的旋转双棱镜（或称旋转双光楔）方案。激光雷达的收发模块固定，通过电机带动双棱镜进行高速旋转。通过对光学参数进行特殊设计，可以产生不同角度的折射光线，从而实现FOV范围内更高线束的覆盖。随着电机转速的不同，会产生出不同的扫描图案。 激光收发器数量减少了（其定点小鹏的车规版HAP只有6组收发器，但100ms积分时间里可达到等效144线效果），成本相应就大幅降低。收发模块固定，电机只需带动双棱镜旋转即可，从而避免了类似传统机械旋转式激光雷达的多次装调问题，量产能力也相应得到提高。 剩下就只有车规这一道关卡了，因为要用6组激光收发器实现等效144线的扫描效果，那就得让电机带动双棱镜玩命的转，导致电机转速高达6000r/min。要知道过了车规的Scalar电机转速只有600r/min。电机的寿命与电机的转速成反比，高转速对轴承及油脂选择大有讲究，这需要大量的耐久试验及超高的工艺水准，这类基础工艺也是中国制造业普遍不足的。Livox的HAP目前应该按照小鹏的要求在进行DV试验，能否经得起考验我们拭目以待。 02转镜 转镜赛道就比较热闹了，国外的厂商有Ibeo，Innovusion，国内的有禾赛、镭神、华为等。且这一技术路线是唯一诞生过车规产品的，就是前文提到的Scalar1/2代产品。这条技术路线的知识产权壁垒非常牢固，想要突破专利壁垒，无异于北坡登顶。前两天，曾被寄予中国激光雷达第一股厚望的禾赛科技，在千呼万唤之后终于珊珊发布其首款混合固态激光雷达AT128，恰巧也是采用转镜方案，本文基于这款产品，介绍一下转镜的原理。 转镜是保持收发模块不动，电机带动反射镜面围绕其圆心不断旋转，从而将激光束反射至空间的一定范围，实现扫描探测，其技术创新方面与机械旋转式激光雷达类似。在转镜方案中，存在一面扫描镜（一维转镜）、两面扫描镜（一纵一横，二维转镜）及多面镜等多种细分技术路线。一维转镜线束与激光发射器数量一致，而二维转镜可以实现等效更多的线束，多面镜通过特殊的镜面设计，可以进一步减少激光收发器数量，在集成难度和成本控制上更有优势。 据了解，禾赛AT128的卖点不在转镜，而在其芯片化道路上的集大成就。将128通道激光发射器、接收器集成在一块芯片上，实现固态电子扫描。禾赛这么做之所以可行，一方面是上游激光收发器技术的进步，另一方面是其在芯片化道路上的锲而不舍。早在PandarXT-32产品上，收发模块部分电路就是采用的其自研芯片。 上游激光收发器的技术进步，是芯片化方案的硬件基础。已知的收发器芯片化技术方案有用VSCEL（垂直腔面发射器）替代当前主流的EEL（边缘发射器），SPAD（单光子雪崩二极管）接收器替代APD（雪崩二极管）接收器。但VSCEL的能量密度低问题，SPAD的感光串扰问题攻克的如何，我们可以静待AT128的测评结果。 芯片化是所有激光雷达厂商的归宿，是解决激光雷达成本、质量、效率问题的关键先生，不仅适用于棱镜、转镜以及接下来的MEMS微振镜型激光雷达，更适用于激光雷达的子子孙孙。 转镜方案和棱镜方案一样，都未能彻底摆脱电机，不过转镜方案电机的转速明显下降，只有2000r/min，但仍存在高温耐久稳定性、FOV视场角受限，信噪比低等问题。转镜方案的厂商部分也已经获得主机厂定点，大浪淘沙，静态车规认证结果。 03MEMS微振镜 MEMS微振镜激光雷达是当前被寄予厚望的一条混合固态激光雷达技术路线，新玩家最多，主机厂官宣的定点数量也最多。国外玩家有Innoviz、Lumina，国内玩家有速腾、一经等。 MEMS（微机电系统, Micro-Electro-Mechanical System）微振镜是通过控制微小的镜面在水平和垂直两个自由度围绕其悬臂梁做往复运动，从而将打到上面的激光束反射到不同的角度从而实现水平、垂直两个维度扫描。激光收发模块固定不动，微振镜在静电、电磁、电热或压电驱动下运动。因此，MEMS微振镜方案是真正的没有电机，其采用的MEMS技术又是在汽车微传感器领域得到广泛验证、使用。 通过精准控制微振镜的偏转角度，可以大大减少激光发射器和接收器的数量，同时通过控制扫描路径可以达到等效高线束机械旋转式激光雷达的点云效果，因此成本上具备了冲击前装量产的资格。整体方案由于取消了笨重的电子、转镜等机械运动设备，取而代之的是毫米级尺寸的微振镜，因此对于提高可靠性有极大的帮助。 但是MEMS技术方案也不是完美无缺。此方案中测距能力与视场角与MEMS微振镜的镜面尺寸成正比，要实现更高的等效线束及视场角，MEMS微振镜的镜面尺寸要求就尽可能大，这会增大微振镜的工艺难度、降低微振镜的良品率。大尺寸的微振镜同时会降低微机电系统整体可靠性，稳定性。同时微振镜属于振动敏感性器件，材料的属性会随温度、振动变化而变化，故在高振动场景下，其可靠性和稳定性是个难题。 04写在最后 春秋时期的“百家争鸣”，是中国学术文化、思想道德发展的重要阶段，奠定了中国文化发展的基础；新中国成立后的“百花齐放，百花争鸣”，促进了中国的科学文艺事业的繁荣发展；而今自动驾驶圈激光雷达的“百木齐茂”，注定将促进高级别自动驾驶的再上层楼。中国激光雷达厂商的发愤图强，也唯愿能在世界自动驾驶核心器件领域，独领风骚。 |
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