上海車展在即。

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

自動(dòng)駕駛這件事上，中國(guó)車企這次集體站在了特斯拉的對(duì)立面。

特斯拉認(rèn)為，純視覺(jué)可以實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛。

今天主流的中國(guó)車企，則開(kāi)始量產(chǎn)帶激光雷達(dá)的自動(dòng)駕駛方案。

為什么說(shuō)激光雷達(dá)是L3級(jí)智能駕駛必備的傳感器？

自動(dòng)駕駛的感知任務(wù)就是去實(shí)時(shí)建立一個(gè)準(zhǔn)確的3D環(huán)境模型。

深度學(xué)習(xí)加單目、三目視覺(jué)是無(wú)法完成這個(gè)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(shí)別才能探測(cè)得知目標(biāo)的信息，目標(biāo)識(shí)別（分類）和探測(cè)（Detection）是一體無(wú)法分割的。

深度學(xué)習(xí)算法的認(rèn)知范圍來(lái)源于數(shù)據(jù)集的廣度和豐富性，而數(shù)據(jù)集永遠(yuǎn)是有限的，因此深度學(xué)習(xí)算法肯定會(huì)出現(xiàn)漏檢。

如果無(wú)法識(shí)別目標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為前方不存在障礙物。特斯拉多次事故大多都是這個(gè)原因。

以上，也就是說(shuō)單目/三目的系統(tǒng)漏檢是無(wú)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(dá)，激光雷達(dá)將帶來(lái)壓倒性的安全優(yōu)勢(shì)。

某種意義上，激光雷達(dá)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(guò)15年的技術(shù)沉淀，像1550納米的激光接收二極管。

激光雷達(dá)公司們?cè)诩す舛O管領(lǐng)域的技術(shù)沉淀最多也不會(huì)超過(guò)3年，因此它們的主要工作是設(shè)計(jì)掃描器。

掃描器也可以采購(gòu)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(dá)產(chǎn)品的門(mén)檻沒(méi)有那么高。

激光雷達(dá)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(shí)的碰撞：當(dāng)下激光雷達(dá)量產(chǎn)的最優(yōu)解

理想的激光雷達(dá)技術(shù)非Flash莫屬。

無(wú)論從性能、生態(tài)、成本、體積、車規(guī)來(lái)考慮，F(xiàn)lash激光雷達(dá)都是幾乎完美的。

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

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

但目前來(lái)看，F(xiàn)lash激光雷達(dá)要實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)突破至少還要5年時(shí)間。

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

FMCW激光雷達(dá)需要昂貴的飛秒級(jí)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(yuǎn)高于Flash激光雷達(dá)。

目前激光雷達(dá)掃描器可以分為機(jī)械式與光學(xué)式兩大類，機(jī)械類再可分為微機(jī)械、MEMS和SLAM。

SLAM比較罕見(jiàn)，目前市面主要看到的產(chǎn)品就是微機(jī)械和MEMS。

微機(jī)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(jì)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(shì)

激光雷達(dá)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(dá)廠家，長(zhǎng)距離車規(guī)級(jí)產(chǎn)品SCALA采用轉(zhuǎn)鏡式設(shè)計(jì)，短距離的產(chǎn)品采用Flash。

然而，法雷奧的下一代長(zhǎng)距離的SCALA卻是MEMS激光雷達(dá)，這是為何？

法雷奧激光雷達(dá)發(fā)展路線圖

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

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

這里，我們來(lái)分析一下激光雷達(dá)的成本結(jié)構(gòu)。

激光雷達(dá)成本可以分為BOM成本、生產(chǎn)成本和研發(fā)成本。

先來(lái)看BOM成本。

以Velodyne的Puck VLP-16 16線激光雷達(dá)為例， 其零售價(jià)為3800美元，BOM成本大約1000美元。

這當(dāng)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(gè)發(fā)射，16個(gè)接收。

發(fā)射二極管的價(jià)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(jià)格大約是905納米硅激光二極管價(jià)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(dá)中需要選用到成本更高的1550納米光纖激光器才能達(dá)到瓦級(jí)光功率，合計(jì)大約580-740美元。

電機(jī)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(xué)鏡頭、濾光片和保護(hù)罩等光學(xué)器件也需要100美金以上。

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

資料來(lái)源：techinsights

在主要的元件中，兩個(gè)芯片比較貴。

一個(gè)是德州儀器的ADC08500，這是個(gè)高速ADC，高達(dá)500MSPS，因此價(jià)格比較昂貴，千顆以上采購(gòu)規(guī)模要30美元一片，這是德州儀器收購(gòu)國(guó)際半導(dǎo)體所帶來(lái)的產(chǎn)品線。

另外一個(gè)是英特爾收購(gòu)的Altera的FPGA，型號(hào)為EP3C16U256C7N，價(jià)格大約14美元。

資料來(lái)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(hào)為EP3C25F324I7，價(jià)格大約22美元。

還有兩片存儲(chǔ)器，價(jià)格估計(jì)只有5美元。

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

芯片及主動(dòng)元件大約占80美元，被動(dòng)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(dá)成本結(jié)構(gòu)，年產(chǎn)量達(dá)十萬(wàn)級(jí)。

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(wàn)級(jí)的規(guī)模。

這個(gè)價(jià)格顯然有點(diǎn)高了。

對(duì)于MEMS激光雷達(dá)，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(gè)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(gòu)則是1000美元上下。

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

對(duì)于Flash 激光雷達(dá)，沒(méi)有掃描器，高功率VCSEL和高性能SPAD都處于萌芽階段，目前價(jià)格都很高，萬(wàn)級(jí)像素的Flash激光雷達(dá)BOM大約700-1000美元左右。

未來(lái)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(diǎn)是什么？

缺點(diǎn)就是信噪比和有效距離及FOV太窄。

因?yàn)镸EMS只用一組發(fā)射激光和接收裝置，那么信號(hào)光功率必定遠(yuǎn)低于機(jī)械激光雷達(dá)。

同時(shí) MEMS激光雷達(dá)接收端的收光孔徑非常小，遠(yuǎn)低于機(jī)械激光雷達(dá)，而光接收峰值功率與接收器孔徑面積成正比，這導(dǎo)致功率進(jìn)一步下降。

這就意味著最小信號(hào)探測(cè)能力的降低，同時(shí)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(dá)7.5毫米，售價(jià)高達(dá)1199美元。

速騰聚創(chuàng)投資的希景科技開(kāi)發(fā)的MEMS微振鏡鏡面直徑為5mm，已經(jīng)進(jìn)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(tuán)隊(duì)提供。

英飛凌收購(gòu)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(dá)最佳選擇

怎么解決或者改善這個(gè)問(wèn)題，那就是電磁振鏡。

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

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

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

電磁驅(qū)動(dòng)是利用電磁或者永磁體實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，具有較大的驅(qū)動(dòng)力力和驅(qū)動(dòng)位移，缺點(diǎn)是可能會(huì)受到電磁干擾。

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

靜電驅(qū)動(dòng)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(dòng)。

靜電式MEMS振鏡原理圖

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

缺點(diǎn)是力也有點(diǎn)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(dòng)的力密度大，電磁驅(qū)動(dòng)MEMS掃描鏡也獲得廣泛的應(yīng)用，其掃描角度大，可以實(shí)現(xiàn)線性掃描。

電磁驅(qū)動(dòng)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(dòng)型器件，驅(qū)動(dòng)電流達(dá)數(shù)十毫安，驅(qū)動(dòng)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(dāng)工作與諧振狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)功耗可以大幅度降低。

電磁式的缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，門(mén)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(diǎn)倒不成問(wèn)題.

因?yàn)槟壳昂蠖说臄?shù)據(jù)處理能力有限，現(xiàn)在激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理除傳統(tǒng)算法外基本都采用了深度學(xué)習(xí)算法，也用激光雷達(dá)識(shí)別目標(biāo)，與視覺(jué)傳感器融合.

不過(guò)，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(gè)電磁干擾問(wèn)題很容易解決，那就是增加磁屏蔽和加大磁場(chǎng)密度：采用目前最強(qiáng)的磁體NdFeB，即釹鐵硼。

至于退磁問(wèn)題，燒結(jié)釹鐵硼的居里溫度點(diǎn)是312攝氏度，居里溫度越高，磁材的工作溫度也相對(duì)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(hào)的釹鐵硼工作溫度可達(dá)200攝氏度，較低的H牌號(hào)也可以達(dá)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(lái)作為攻擊標(biāo)靶，說(shuō)MEMS振鏡像薯片一樣脆薄。

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

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

該應(yīng)用領(lǐng)域時(shí)限已經(jīng)超過(guò)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(jī)械式激光雷達(dá)使用的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，達(dá)到50G抗沖擊也有困難。

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

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

林肯大陸和導(dǎo)航員使用的是德州儀器早期DMD芯片DLP3030，只有40萬(wàn)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(méi)用上）有130萬(wàn)像素，F(xiàn)OV為10X5°，VID距離為33英尺即10米，奔馳稱這相當(dāng)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(shū)，自然不成問(wèn)題，實(shí)際MEMS振鏡可以看成一個(gè)半導(dǎo)體芯片。硅基半導(dǎo)體的溫度范圍可輕易做到攝氏零下40到125度。

機(jī)械式激光雷達(dá)使用的旋轉(zhuǎn)電機(jī)因?yàn)闈?rùn)滑油的原因：

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

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

這兩個(gè)問(wèn)題在目前機(jī)械式雷達(dá)中普遍存在。法雷奧特別增加了PTC加熱和冷卻設(shè)施。

對(duì)傳統(tǒng)車廠來(lái)說(shuō)，車規(guī)比性能重要，因此近距離選擇Flash激光雷達(dá)。

對(duì)新興車廠來(lái)說(shuō)，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?yàn)榻黄趩?wèn)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(dá)恐怕是這5年內(nèi)大多數(shù)廠家最好的選擇。

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