本文探討了當(dāng)今LiDAR（激光雷達(dá)）系統(tǒng)所面臨的五大挑戰(zhàn)以及如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。一旦消除這些障礙，LiDAR將發(fā)揮廣泛的應(yīng)用潛力。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，LiDAR這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在許多應(yīng)用領(lǐng)域取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，僅舉幾例：空間測(cè)繪、無(wú)人駕駛汽車、安防和無(wú)人機(jī)等。

然而，現(xiàn)如今傳統(tǒng)的LiDAR體系架構(gòu)的發(fā)展正面臨著五大挑戰(zhàn)，使其無(wú)法作為一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案大規(guī)模使用，而此解決方案可提高汽車性能和安全性，解決更多的工業(yè)流程問(wèn)題和應(yīng)用，并為消費(fèi)類產(chǎn)品增加新的功能。目前在駕駛試驗(yàn)中使用的LiDAR技術(shù)有助于人工智能（AI）系統(tǒng)的訓(xùn)練，但是由于無(wú)法滿足尺寸、可靠性和成本的要求，暫時(shí)還無(wú)法在量車汽車中展開(kāi)部署。正在開(kāi)發(fā)的新型LiDAR系統(tǒng)可以滿足廣泛生產(chǎn)部署的所有要求，但首先，讓我們先來(lái)回顧一下需要克服哪些挑戰(zhàn)。

當(dāng)今LiDAR系統(tǒng)面臨的五大挑戰(zhàn)

這五項(xiàng)挑戰(zhàn)意義重大，在它們得到解決之前，LiDAR作為量車汽車中可廣泛部署的技術(shù)之一，我們只實(shí)現(xiàn)了其一小部分的潛力。

1. 尺寸如今多數(shù)LiDAR系統(tǒng)都是安裝在汽車頂部的一套大型旋轉(zhuǎn)裝置，非常顯眼。但該技術(shù)不符合OEM（原始設(shè)備制造商）大眾市場(chǎng)部署的尺寸、成本或汽車認(rèn)證要求。雖然目前有一些尺寸較小的旋轉(zhuǎn)LiDAR裝置，通過(guò)將多個(gè)單元嵌入至汽車的各個(gè)區(qū)域來(lái)擴(kuò)大應(yīng)用，但是這些組件仍然太大，有些甚至是通過(guò)犧牲性能（分辨率和距離）來(lái)減小尺寸。如果繼續(xù)將復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件壓縮進(jìn)更小的封裝，或者使用無(wú)法進(jìn)一步減少成本或滿足汽車一級(jí)資質(zhì)要求的技術(shù)和部件，收效將會(huì)逐步減小，這就要求對(duì)技術(shù)進(jìn)行根本性的變革。

2. 成本LiDAR的演示通常會(huì)在客戶中引發(fā)一陣高潮，不幸的是，他們后來(lái)發(fā)現(xiàn)演示模型的制勝功能依賴于昂貴的、非指定的組件，而這些組件卻無(wú)法滿足汽車級(jí)認(rèn)證。主要的成本驅(qū)動(dòng)因素是激光器與光學(xué)器件的對(duì)準(zhǔn)，獲得足夠的輸出功率以滿足距離要求，并設(shè)法使激光束覆蓋所需的視場(chǎng)。目前試驗(yàn)中部署的LiDAR中的多數(shù)技術(shù)都無(wú)法針對(duì)大眾市場(chǎng)應(yīng)用降低成本。盡管有人聲稱產(chǎn)量的增加會(huì)降低成本，但是如果不進(jìn)行重大的設(shè)計(jì)修訂，即使有高產(chǎn)量或設(shè)計(jì)改進(jìn)都是不夠的。

3. 可靠性現(xiàn)如今的LiDAR系統(tǒng)大多是基于宏觀機(jī)械或微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），具有運(yùn)動(dòng)部件的所有缺點(diǎn)，包括有限的可靠性。這些產(chǎn)品需要仔細(xì)校準(zhǔn)，而且制造成本很高。由于大多數(shù)材料不具備在汽車一級(jí)溫度范圍（-40°C至125°C）內(nèi)工作的條件，所以它們?cè)跓釕?yīng)力下的故障率會(huì)很高。比較明確的做法是用固態(tài)替代方案替換運(yùn)動(dòng)部件，使每個(gè)部件都能夠滿足一級(jí)溫度和質(zhì)量要求。然而，即使像激光器這樣的固態(tài)技術(shù)也還有很長(zhǎng)的一段路要走，畢竟現(xiàn)在很少有激光器能滿足一級(jí)車規(guī)的要求。

4. 探測(cè)距離現(xiàn)在LiDAR系統(tǒng)已經(jīng)證明了可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較遠(yuǎn)的探測(cè)距離，但是目前存在一個(gè)大家廣泛持有的假設(shè)是，這種性能水平僅在1550nm掃描激光器中才有可能達(dá)到。該技術(shù)確實(shí)可提供良好的探測(cè)距離，但由于高功率1550nm激光器和傳感器的成本，價(jià)格卻非常高?，F(xiàn)已開(kāi)發(fā)出廉價(jià)泛光激光器技術(shù)，具有可比的探測(cè)距離和有吸引力的成本優(yōu)勢(shì)。

5. 人眼安全長(zhǎng)期以來(lái)，1550nm波長(zhǎng)的激光被認(rèn)為是人眼安全的最佳數(shù)值。它確實(shí)是比那些可以穿透眼睛進(jìn)入視網(wǎng)膜的激光類型更安全。然而，高成本的1500nm二極管泵浦固體激光器（Diode Pumped Solid State laser，DPSS）、二極管泵浦光纖激光器（Diode Pumped Fiber laser）或帶有摻鉺光纖放大器（Erbium& Doped Fiber Amplifiers，EDFA）的分布式反饋激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）的主導(dǎo)地位目前正受到新的器件拓?fù)涞奶魬?zhàn)，這些器件拓?fù)淇墒馆^短的波長(zhǎng)變得安全。

應(yīng)對(duì)尺寸挑戰(zhàn)

好消息是什么？在車輛頂部旋轉(zhuǎn)萬(wàn)向架上安裝大型旋轉(zhuǎn)“全家桶”（即LiDAR）的日子已經(jīng)所剩不多了。使用合適的垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）照明器可以大大減少LiDAR系統(tǒng)的占位面積。照明解決方案制造商可以將數(shù)百個(gè)VCSEL激光器集成到僅為毫米級(jí)大小的微芯片上。這項(xiàng)技術(shù)將極大地減少LiDAR系統(tǒng)整體尺寸，同時(shí)還能提供照亮整個(gè)視場(chǎng)所需的人眼安全的高功率。LiDAR單元可以縮小至一副牌的大小甚至更小。在汽車應(yīng)用中，這就可以將LiDAR安放在汽車外部和內(nèi)部的多個(gè)位置，以有效地測(cè)量距離可為數(shù)米或遠(yuǎn)至200多米的物體。這些變化為無(wú)人駕駛汽車提供了額外的環(huán)境監(jiān)測(cè)和防碰撞功能。

圖1 TriLumina生產(chǎn)的VCSEL芯片

打破成本壁壘

縮小LiDAR系統(tǒng)尺寸背后相同的技術(shù)和思路，也可以用于大幅節(jié)約成本！半導(dǎo)體VCSEL，特別是940nm波長(zhǎng)的VCSEL激光器，利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝，針對(duì)手機(jī)等大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，使用硅基芯片代替了1550nm激光器和傳感器中價(jià)格更昂貴的磷化銦（InP）和銦鎵砷（InGaAs）器件。當(dāng)您將這些工藝和材料所節(jié)省的成本整合計(jì)算后，每個(gè)LiDAR單元的成本可以降至200美元或更低，而目前許多機(jī)械和1550nm解決方案的成本都超過(guò)1000美元。以這樣的價(jià)格，在無(wú)人駕駛汽車上使用多個(gè)LiDAR單元以獲得先進(jìn)的傳感能力和更高的安全性要實(shí)際得多。

提高可靠性

當(dāng)今的LiDAR技術(shù)大多是基于旋轉(zhuǎn)鏡或MEMS微鏡。這些技術(shù)包含很多運(yùn)動(dòng)部件，它們的生產(chǎn)成本和故障率都很高。值得注意的是，許多LiDAR系統(tǒng)必須在不太理想的氣候和高振動(dòng)環(huán)境下運(yùn)行。理想的940nm波長(zhǎng)的VCSEL模塊化激光技術(shù)可在通過(guò)AEC-Q100認(rèn)證的一級(jí)溫度范圍內(nèi)（-40°C至125°C）的汽車中工作。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在電信領(lǐng)域應(yīng)用了二十多年，可靠性極高。此外，這些新型VCSEL激光器已經(jīng)針對(duì)遠(yuǎn)程LiDAR的功率要求和AEC-Q100認(rèn)證一級(jí)溫度范圍，進(jìn)行了數(shù)百萬(wàn)小時(shí)的等效運(yùn)行測(cè)試，性能沒(méi)有出現(xiàn)任何意外降低。

擴(kuò)大探測(cè)范圍

通常，由于人眼安全限制，905nm波長(zhǎng)的邊緣發(fā)射激光器（EEL）只能在100米左右的范圍內(nèi)使用，而1550nm波長(zhǎng)的激光器可用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離并對(duì)人眼安全的照明。然而，在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，1550nm波長(zhǎng)激光器和傳感器的成本是令人望而卻步的。LiDAR行業(yè)流傳著自己的傳說(shuō)，認(rèn)為實(shí)現(xiàn)這一長(zhǎng)距離探測(cè)的唯一方法，只有通過(guò)使用這些昂貴的1550nm波長(zhǎng)的激光器和傳感器。940nm波長(zhǎng)的VCSEL激光器結(jié)合了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，既利用了太陽(yáng)光譜在940nm的大幅下降（太陽(yáng)光干擾較小），又利用了大規(guī)模、低成本的VCSEL技術(shù)。940nm處環(huán)境光噪聲的降低，使得在較低的激光功率下可以獲得更廣的探測(cè)范圍?，F(xiàn)在，已經(jīng)在移動(dòng)電話中使用了940nm波長(zhǎng)的VCSEL激光器，以便在極低功率和短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)3D傳感。現(xiàn)在，VCSEL技術(shù)可以在相當(dāng)遠(yuǎn)的距離內(nèi)使用，并且還能保護(hù)人眼安全。

針對(duì)人眼安全的創(chuàng)新

由于人眼安全限制，905nm波長(zhǎng)的EEL激光器通常只能限制在100米左右的范圍內(nèi)使用。盡管紅外激光附近的高功率連續(xù)波會(huì)穿透視網(wǎng)膜并損傷視力，對(duì)人眼產(chǎn)生傷害，但是人眼可以承受（人眼安全）在較低占空比下極短脈沖（十億分之一秒脈沖）的高功率940nm波長(zhǎng)的光源。如今的940nm波長(zhǎng)VCSEL陣列與EEL激光器等高亮度點(diǎn)光源完全不同。940nm波長(zhǎng)的VCSEL陣列包含很多單顆VCSEL激光器，每個(gè)激光器功率相對(duì)較低，使用短脈沖，因此對(duì)人眼比較安全。該技術(shù)使用窄脈沖（十億分之一秒）以非常低的重復(fù)頻率運(yùn)行。當(dāng)這些VCSEL組合成陣列時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生具有很高輸出功率的分布式光源，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離探測(cè)，但其平均功率很低，并且分布式光源不會(huì)損壞視網(wǎng)膜。例如，TriLumina開(kāi)發(fā)出了對(duì)人眼安全的倒裝芯片940nm波長(zhǎng)脈沖VCSEL陣列，其600W峰值光功率可以支持超過(guò)250米的探測(cè)距離，具有低占空比的特點(diǎn)，平均光功率僅為半瓦。

圖2 TriLumina開(kāi)發(fā)出了對(duì)人眼安全的倒裝芯片940nm波長(zhǎng)脈沖VCSEL陣列

LiDAR的廣泛部署有望實(shí)現(xiàn)

雖然現(xiàn)在MEMS和機(jī)械式LiDAR面臨的挑戰(zhàn)確實(shí)是廣泛部署LiDAR技術(shù)的主要障礙，但這可以通過(guò)有望在2019年初完成車規(guī)認(rèn)證的新型VCSEL激光技術(shù)來(lái)克服。想象一下在車內(nèi)和車外都有感應(yīng)功能的無(wú)人駕駛汽車，將可以大大減少每年超過(guò)3.7萬(wàn)的交通事故死亡人數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。這些目標(biāo)只能通過(guò)控制成本、減小尺寸、滿足汽車可靠性要求和擴(kuò)大探測(cè)距離，同時(shí)確保人眼安全來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用正確的激光技術(shù)，LiDAR將可以采取下一步措施邁向更廣泛的部署。TriLumina目前正為汽車ADAS（Advanced Driver Assistance Systems，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）應(yīng)用開(kāi)發(fā)VCSEL產(chǎn)品，并針對(duì)性能、尺寸、成本、人眼安全和汽車一級(jí)資質(zhì)等各個(gè)特定領(lǐng)域進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)LiDAR的廣泛部署。這是基于專利倒裝芯片和背發(fā)射VCSEL陣列，而該陣列可將高脈沖功率陣列、集成微光學(xué)器件和電子束轉(zhuǎn)向集成在一個(gè)芯片上。