上海車展在即。

今年，小鵬、蔚來、極狐、R汽車等多家汽車品牌都將帶來搭載激光雷達的自動駕駛量產(chǎn)車型。

自動駕駛這件事上，中國車企這次集體站在了特斯拉的對立面。

特斯拉認為，純視覺可以實現(xiàn)完全自動駕駛。

今天主流的中國車企，則開始量產(chǎn)帶激光雷達的自動駕駛方案。

為什么說激光雷達是L3級智能駕駛必備的傳感器？

自動駕駛的感知任務(wù)就是去實時建立一個準確的3D環(huán)境模型。

深度學習加單目、三目視覺是無法完成這個任務(wù)的。

單目/三目攝像頭的致命缺陷就是這類系統(tǒng)必須先識別才能探測得知目標的信息，目標識別（分類）和探測（Detection）是一體無法分割的。

深度學習算法的認知范圍來源于數(shù)據(jù)集的廣度和豐富性，而數(shù)據(jù)集永遠是有限的，因此深度學習算法肯定會出現(xiàn)漏檢。

如果無法識別目標，系統(tǒng)會認為前方不存在障礙物。特斯拉多次事故大多都是這個原因。

以上，也就是說單目/三目的系統(tǒng)漏檢是無法避免的，因此它只能用于L2的系統(tǒng)。

L2以上，則必須要有激光雷達，激光雷達將帶來壓倒性的安全優(yōu)勢。

某種意義上，激光雷達廠商的角色可以算是系統(tǒng)集成商。

傳統(tǒng)激光行業(yè)可以提供包括激光發(fā)射與接收部分的成熟零組件，行業(yè)內(nèi)這些零組件都有超過15年的技術(shù)沉淀，像1550納米的激光接收二極管。

激光雷達公司們在激光二極管領(lǐng)域的技術(shù)沉淀最多也不會超過3年，因此它們的主要工作是設(shè)計掃描器。

掃描器也可以采購現(xiàn)成的產(chǎn)品。

如日本Nidec的多邊形掃描器，Mirrorcle的MEMS振鏡。

一定程度上，研發(fā)激光雷達產(chǎn)品的門檻沒有那么高。

激光雷達廠家要想掌握核心技術(shù)，就是自研自產(chǎn)掃描器。

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理想與現(xiàn)實的碰撞：當下激光雷達量產(chǎn)的最優(yōu)解

理想的激光雷達技術(shù)非Flash莫屬。

無論從性能、生態(tài)、成本、體積、車規(guī)來考慮，F(xiàn)lash激光雷達都是幾乎完美的。

但是目前Flash激光雷達的瓶頸是性能太差，這主要是Flash激光雷達的激光發(fā)射端是VCSEL陣列。

而VCSEL陣列的功率密度遠不能和傳統(tǒng)的激光二極管比，一旦突破這個瓶頸，F(xiàn)lash激光雷達即可橫掃市場。

但目前來看，F(xiàn)lash激光雷達要實現(xiàn)量產(chǎn)突破至少還要5年時間。

另一個技術(shù)路線是硅光電的FMCW激光雷達，技術(shù)成熟度還低于Flash，并且即便技術(shù)成熟，價格也要比Flash激光雷達要高。

FMCW激光雷達需要昂貴的飛秒級激光發(fā)生器，調(diào)諧器工作在太赫茲頻段，即便大規(guī)模量產(chǎn)，成本也要遠高于Flash激光雷達。

目前激光雷達掃描器可以分為機械式與光學式兩大類，機械類再可分為微機械、MEMS和SLAM。

SLAM比較罕見，目前市面主要看到的產(chǎn)品就是微機械和MEMS。

微機械再可分為四小類，分別是旋轉(zhuǎn)式（包括旋轉(zhuǎn)鏡和多邊形掃描）、電流計式（Velarray）、多棱鏡和音圈式。

MEMS分為MEMS振鏡和DMD微鏡兩大類。

MEMS振鏡再可分為壓電、電磁、靜電、電熱四大類。

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MEMS路線為什么異軍突起？巨大的成本優(yōu)勢

激光雷達的發(fā)展方向是朝Flash的全固態(tài)發(fā)展。

法雷奧是目前唯一有量產(chǎn)客戶的激光雷達廠家，長距離車規(guī)級產(chǎn)品SCALA采用轉(zhuǎn)鏡式設(shè)計，短距離的產(chǎn)品采用Flash。

然而，法雷奧的下一代長距離的SCALA卻是MEMS激光雷達，這是為何？

法雷奧激光雷達發(fā)展路線圖

法雷奧是車規(guī)級轉(zhuǎn)鏡激光雷達鼻祖，也最清楚轉(zhuǎn)鏡式激光雷達的缺點，那就是成本下降空間有限。

當下法雷奧在售的 SCALA 第二代轉(zhuǎn)鏡式激光雷達，成本恐難低于 400 美元。

這里，我們來分析一下激光雷達的成本結(jié)構(gòu)。

激光雷達成本可以分為BOM成本、生產(chǎn)成本和研發(fā)成本。

先來看BOM成本。

以Velodyne的Puck VLP-16 16線激光雷達為例， 其零售價為3800美元，BOM成本大約1000美元。

這當中主要是激光發(fā)射二極管和激光接收二極管，16線需要16個發(fā)射，16個接收。

發(fā)射二極管的價格一般是20-25美元，典型的如Excelitas的TPGEW1S09H，905納米，峰值光功率70瓦，輸入12V，峰值電流30A。

1550納米激光二極管價格大約是905納米硅激光二極管價格的3-5倍，但其光功率很低，通常用在激光通信領(lǐng)域。

在激光雷達中需要選用到成本更高的1550納米光纖激光器才能達到瓦級光功率，合計大約580-740美元。

電機和外殼以及結(jié)構(gòu)件大約50美元，電路板大約100美元，光學鏡頭、濾光片和保護罩等光學器件也需要100美金以上。

這樣的機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達合計BOM成本大約830 - 990美元。

資料來源：techinsights

在主要的元件中，兩個芯片比較貴。

一個是德州儀器的ADC08500，這是個高速ADC，高達500MSPS，因此價格比較昂貴，千顆以上采購規(guī)模要30美元一片，這是德州儀器收購國際半導體所帶來的產(chǎn)品線。

另外一個是英特爾收購的Altera的FPGA，型號為EP3C16U256C7N，價格大約14美元。

資料來源：techinsights

背面主要是三顆芯片，主數(shù)據(jù)處理芯片Altera的FPGA，型號為EP3C25F324I7，價格大約22美元。

還有兩片存儲器，價格估計只有5美元。

還有一些比較貴的高精度晶振，激光雷達是納秒級產(chǎn)品，時鐘精度要求極高。用的元件精度普遍都要很高。

芯片及主動元件大約占80美元，被動元件占15美元，PCB大約5美元。

上圖是法雷奧的SCALA這樣的旋轉(zhuǎn)鏡激光雷達成本結(jié)構(gòu)，年產(chǎn)量達十萬級。

其BOM成本大約300美元，16線需要增加12套發(fā)射與接收，也就是大約400美元。

這已經(jīng)是年產(chǎn)量十萬級的規(guī)模。

這個價格顯然有點高了。

對于MEMS激光雷達，發(fā)射和接收激光器大幅度減少，即使做到等效上百線，有些只有幾個發(fā)射，接收可以用單線的SiPM，也可以用陣列，比較靈活。

BOM成本大幅度降低，其主要成本集中在MEMS振鏡上，大規(guī)模量產(chǎn)MEMS振鏡可以降低到30 到50美元，目前從外采購則是1000美元上下。

基于振鏡和光源不同，MEMS激光雷達BOM成本目前大約450 到1200美元。

對于Flash 激光雷達，沒有掃描器，高功率VCSEL和高性能SPAD都處于萌芽階段，目前價格都很高，萬級像素的Flash激光雷達BOM大約700-1000美元左右。

未來大規(guī)模生產(chǎn)可以輕松降低到100美元以下。

那么MEMS 的缺點是什么？

缺點就是信噪比和有效距離及FOV太窄。

因為MEMS只用一組發(fā)射激光和接收裝置，那么信號光功率必定遠低于機械激光雷達。

同時 MEMS激光雷達接收端的收光孔徑非常小，遠低于機械激光雷達，而光接收峰值功率與接收器孔徑面積成正比，這導致功率進一步下降。

這就意味著最小信號探測能力的降低，同時也意味著有效距離的縮短。

掃描系統(tǒng)分辨率由鏡面尺寸與最大偏轉(zhuǎn)角度的乘積共同決定，鏡面尺寸與偏轉(zhuǎn)角度是矛盾的，鏡面尺寸越大，偏轉(zhuǎn)角度就越小。

最后MEMS振鏡的成本和尺寸也是正比，目前MEMS振鏡最大尺寸是Mirrorcle，可達7.5毫米，售價高達1199美元。

速騰聚創(chuàng)投資的希景科技開發(fā)的MEMS微振鏡鏡面直徑為5mm，已經(jīng)進入量產(chǎn)階段。

禾賽科技的PandarGT 3.0中用到的MEMS微振鏡則是由自研團隊提供。

英飛凌收購的Innoluce也能自研MEMS振鏡。

MEMS振鏡主要供應(yīng)商Mirrorcle的產(chǎn)品一覽，很明顯，尺寸越大，角度越小。

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電磁式 MEMS 振鏡：激光雷達最佳選擇

怎么解決或者改善這個問題，那就是電磁振鏡。

按照驅(qū)動方式的不同，MEMS掃描鏡可以分為靜電驅(qū)動、電磁驅(qū)動、壓電驅(qū)動和電熱驅(qū)動四種驅(qū)動方式。

電熱驅(qū)動是利用電能轉(zhuǎn)換為熱能，再轉(zhuǎn)換為機械能驅(qū)動，其優(yōu)點是驅(qū)動力和驅(qū)動位移較大，但是響應(yīng)速度較慢。

壓電驅(qū)動是利用壓電材料的壓電效應(yīng)實現(xiàn)驅(qū)動，具有驅(qū)動力大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，但是壓電材料存在遲滯現(xiàn)象。

電磁驅(qū)動是利用電磁或者永磁體實現(xiàn)驅(qū)動，具有較大的驅(qū)動力力和驅(qū)動位移，缺點是可能會受到電磁干擾。

靜電驅(qū)動是利用帶電導體間的靜電作用力實現(xiàn)驅(qū)動，具有功耗低、速度快、兼容性好等優(yōu)點。是目前使用廣泛的驅(qū)動方式。

靜電驅(qū)動是比較成熟的方式，上述Mirrorcle還有某以色列廠家都是采用靜電驅(qū)動。

靜電式MEMS振鏡原理圖

靜電驅(qū)動MEMS掃描鏡采用單晶硅制造，工藝簡單、成熟、成本低，芯片尺寸非常小，驅(qū)動功耗極低，封裝也比較簡單，屬電壓驅(qū)動型器件。

缺點是力也有點小，且是非線性的，此外存在吸合現(xiàn)象。

電磁式MEMS振鏡

電磁驅(qū)動的力密度大，電磁驅(qū)動MEMS掃描鏡也獲得廣泛的應(yīng)用，其掃描角度大，可以實現(xiàn)線性掃描。

電磁驅(qū)動器件工藝涉及數(shù)十微米厚度的電磁線圈的制造，封裝需要配置永磁鐵，器件模塊尺寸稍大些。

該器件屬電流驅(qū)動型器件，驅(qū)動電流達數(shù)十毫安，驅(qū)動功耗較高。

器件既可工作于諧振狀態(tài)，也可以工作于非諧振狀態(tài)，當工作與諧振狀態(tài)時，驅(qū)動功耗可以大幅度降低。

電磁式的缺點是工藝復雜，門檻高，成本略高，體積略大，響應(yīng)速度略慢于靜電，響應(yīng)速度這點倒不成問題.

因為目前后端的數(shù)據(jù)處理能力有限，現(xiàn)在激光雷達數(shù)據(jù)處理除傳統(tǒng)算法外基本都采用了深度學習算法，也用激光雷達識別目標，與視覺傳感器融合.

不過，由于數(shù)據(jù)量巨大，一般只能承受10-15Hz的幀率，電磁式可以做到30Hz，靜電式更高，但意義不大。

另一個電磁干擾問題很容易解決，那就是增加磁屏蔽和加大磁場密度：采用目前最強的磁體NdFeB，即釹鐵硼。

至于退磁問題，燒結(jié)釹鐵硼的居里溫度點是312攝氏度，居里溫度越高，磁材的工作溫度也相對越高，并且溫度穩(wěn)定性更好。

燒結(jié)釹鐵硼原料中加入鈷、鋱、鏑等元素可提高其居里溫度。

EH牌號的釹鐵硼工作溫度可達200攝氏度，較低的H牌號也可以達120攝氏度，足以適應(yīng)車載環(huán)境。

MEMS振鏡的可靠性一直被拿來作為攻擊標靶，說MEMS振鏡像薯片一樣脆薄。

靜電式或許真有點如此，但電磁式就不同了，其體積大，懸臂可以做的強度更高，電磁振鏡可以做到300G以上的抗沖擊，遠超車規(guī)要求的50G。

在軍用及航天中的慣性制導系統(tǒng)普遍采用MEMS 技術(shù)，能夠承受超過500g的過載加速度。

該應(yīng)用領(lǐng)域時限已經(jīng)超過30年，而技術(shù)也逐步由軍工轉(zhuǎn)向民用，并非新技術(shù)。

相比之下，機械式激光雷達使用的旋轉(zhuǎn)電機，達到50G抗沖擊也有困難。

實際在車上已經(jīng)有不少MEMS 產(chǎn)品，包括陀螺儀、加速度計、壓力傳感器、MEMS硅麥克風、AR-HUD和大燈用的DMD振鏡。

DMD振鏡是德州儀器獨家供應(yīng)，即DLP技術(shù)，DLP技術(shù)已經(jīng)使用超過20年，可靠性毋容置疑。

林肯大陸和導航員使用的是德州儀器早期DMD芯片DLP3030，只有40萬像素。

奔馳AR HUD使用德州儀器最新的DMD芯片DLP5531（2018年下半年才量產(chǎn)，所以林肯沒用上）有130萬像素，F(xiàn)OV為10X5°，VID距離為33英尺即10米，奔馳稱這相當于77英寸顯示器。

不僅在HUD上使用了DLP投影，在車大燈上，奔馳還極盡奢華使用了DLP投影，也是DLP5531。

使用MEMS微鏡的投影大燈

溫度方面由溫度超高的DLP投影背書，自然不成問題，實際MEMS振鏡可以看成一個半導體芯片。硅基半導體的溫度范圍可輕易做到攝氏零下40到125度。

機械式激光雷達使用的旋轉(zhuǎn)電機因為潤滑油的原因：

低溫狀態(tài)下油凝結(jié)成脂，出現(xiàn)難以啟動或者無法啟動的現(xiàn)象。

高溫狀態(tài)下，油會揮發(fā)到鏡面上，循環(huán)往復次數(shù)多了，會累積成油滴干擾光路。

這兩個問題在目前機械式雷達中普遍存在。法雷奧特別增加了PTC加熱和冷卻設(shè)施。

對傳統(tǒng)車廠來說，車規(guī)比性能重要，因此近距離選擇Flash激光雷達。

對新興車廠來說，性能比車規(guī)重要，因此選擇Luminar，而介于兩者之間的廠家多選擇MEMS，如寶馬，盡管Innoviz諸多不順，但寶馬并未放棄MEMS路線。

因為交期問題，Innoviz不得已在初期選擇靜電振鏡，但正在轉(zhuǎn)向電磁振鏡。

綜合考慮性能、車規(guī)、成本、體積、生態(tài)，MEMS電磁振鏡激光雷達恐怕是這5年內(nèi)大多數(shù)廠家最好的選擇。

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