盘点 | 自研芯片的初创公司之固态激光雷达

作者：刘洪

导读

固态激光雷达是未来的发展方向，几乎没有异议，不过，什么才是全固态激光雷达，的确还得掂量掂量。另外，只有能够量产的激光雷达才有话语权。我们来看看几家技术路线有所不同的公司怎样定义他们的产品。

全固态和半固态激光雷达

理论上讲，完全没有移动部件的雷达才是固态激光雷达，光相控阵（OPA）及 Flash 是其典型技术路线，被认为是全固态激光雷达方案的代表。不过，近年来一些没有机械旋转机构的激光雷达也被统称为 「固态激光雷达」。其性能特点包括分高辨率、有限水平 FOV（前向而不是 360°）等，但这些技术方案还是有一些微小的移动部件（MEMS 微振镜），所以从严格意义上讲只能算 「半固态」。

事实上，固态激光雷达也存在一些劣势：

• 不能 360 度旋转，扫描角度有限，只能探测前方；全方位扫描要在不同方向布置多个激光雷达。

• 除了光栅衍射中央明纹，还会形成其他明纹，使激光在最大功率方向以外形成旁瓣效应，分散激光能量。

• 光学相控阵要求阵列工作波长在 1 微米左右，阵列单元尺寸必须不大于 500 纳米，加工工艺难度很高。

• 传统机械式雷达接收窗口很小，固态激光雷达接收面大、信噪比差，增加了扫描解析难度。

目前，固态激光雷达可靠性强、成本低及测距远的特性是传统产品很难同时满足的，所以才有那么多公司竞相研发。虽然，固态化、小型化、低成本是未来激光雷达的发展趋势，但目前机械式激光雷达仍占有大壁江山。

市场竞争已到红海边

值得一提的是，创立于 2009 年的以色列公司 Oryx Vision 在 2016 年 11 月就推出低成本新型相干光激光雷达系统，以满足自动驾驶应用；2017 年又获得 5000 万美元 B 轮融资。

尽管想打败传统激光雷达的战争拉开帷幕不久，量产时间都还是 「预计」，Oryx 却已无以为继，不堪激光雷达市场激烈竞争，在 2019 年 8 月宣布关停。其直接竞争对手正是以色列激光雷达初创公司 Innoviz Technologies，同年 6 月，后者完成了 1.7 亿美元的 C 轮融资。

Oryx 的大多数员工都是物理学家、光学工程师及天线工程师，其使用的是 「高大上」 的长波太赫兹红外激光器，因为这种红外光人眼不可见，功率更高，它还很难被水吸收，不会被云雾、强烈的阳光直射所干扰。

Ouster：真正的数字化全固态

美国 Ouster 最近很风光，5 月中旬，国内特殊区域无人驾驶方案及运营商踏歌智行无人矿卡搭载 Ouster OS1 激光雷达，是为 Ouster 的量产产品。其最新产品 ES2 固态激光雷达仍然沿用了 OS1 成功验证的独有数字架构，是市场上第一款全固态、高分辨率、长距离数字激光雷达，探测距离超过 200 m。

Ouster CEO 兼联合创始人 Angus Pacala 说：「为什么说数字激光雷达是未来？在 2015 年成立时，我们就是要设计市场需要的高性能、可靠且价格可接受的传感器。激光雷达的长期赢家需要做的不仅是满足客户当前的需求，还要满足他们未来的需求，需要不断稳步提高性能，降低成本，跟上客户的步伐。这也是我们研发数字激光雷达技术的初衷。」

激光雷达行业是一个日趋成熟且不断变化的行业，市场对其性能和成本的要求在不断提高。Ouster 自研的 CMOS 芯片可确保数字激光雷达的性能能够在未来很多年内稳定持续提升。ES2 通过 「电子扫描」 方式依次从集成在单芯片上的一万多个激光器进行发射。这些激光器与一个定制的数字探测器阵列相匹配，每秒能够计数万亿个单独光子。因此 ES2 不需要任何移动部件就可以实现客户对测距、视场角和分辨率的要求。ES2 所使用的激光器和探测器阵列的核心技术与 OS 系列旋转式激光雷达相同，也与 iPhone 和 iPad Pro 等消费类设备一致。

看看 ES2 的一些特性：

• 极简的架构：不同于传统激光雷达内部有数千个零部件，专为长距、中距、短距应用设计的 Ouster 数字激光雷达内部只有一块 VCSEL（垂直腔面发射）激光器芯片和一块基于 CMOS 工艺的 SPAD 传感器芯片，大大降低了价格，提高了性能和可靠性。

• 专为量产设计：ES2 与 OS 系列激光雷达共享 86% 的零部件，极大地降低了技术和生产风险，有助于实现大批量生产。

• 满足自动驾驶系统要求：200m+（10% 反射率）探测距离，工作寿命 100,000 小时，有助于实现高速高级驾驶辅助系统（ADAS），易于集成。

• 固件更新：Ouster 任何型号的激光雷达均可更新固件。

• 车规级别：从一开始 ES2 就是为满足甚至超过车规要求的性能、可靠性和使用寿命而设计的。ES2 比目前市场上很多 「半固态」 激光雷达结构更简单、更可靠。

• 最严格的行业标准：ES2 通过了网络安全、冲击及振动、热循环、防护等级等测试认证，其中包括 ISO 26262（ASIL-B）、SIL-2 和 ASPICE。

• 量产一致性：ES2 和 OS 系列所使用的数字部件均来自消费电子设备供应链，两类产品的生产线具有一致性，这也是 Ouster 的独有优势之一。OS 系列旋转式激光雷达的制造、校准和验证均已实现规模化运行，ES2 固态激光雷达将直接在 Ouster 海外制造工厂中一条已经运行的大批量生产线上生产。

Yole 光子与传感团队成员 Pierrick Boulay 评价道：「与很多其他市场类似，激光雷达市场的技术路线正在逐渐向数字化发展，虽然过渡的过程会花一点时间，但是结果通常都是一样的：传统产品创造了市场，数字化产品最终将主导市场。」

据介绍，ES2 首批样品将于 2022 年交付，面向车规量产项目的初始价格将为 600 美元，计划于 2024 年实现大批量生产，最终有望降至 100 美元。

Ouster 已累计融资超过 1.4 亿美元，截止目前已经赢得全球 800 多个客户。

Innoviz：升性能降成本

Innoviz 成立于 2016 年，以研发低成本小型激光雷达系统，帮助实现自动驾驶汽车大规模商业化为己任。目前，除激光器外，Innoviz 已经掌握了包括芯片在内所有关键技术的知识产权，前不久与宝马等多家主机厂及三星网联汽车等建立了合作关系，已筹集超过 2.75 亿美元资金。

Innoviz 的技术路线是上面提到的 MEMS 固态激光雷达。去年 10 月推出的新一代激光雷达传感器 InnovizTwo 以比上一代 InnovizOne 低 70% 的成本提供了显著性能改进，其提供样品时间是 2021 年第三季度。InnovizOne 将于 2021 年在宝马量产车型首次批量应用。

Innoviz CEO 兼联合创始人 Omer Keilaf 表示：「针对配有 L3 级自动驾驶的高端车型，主机厂通常愿意为激光雷达支付高达 1000 美元。而对于 L2 级车型，他们只愿意支付 400 到 500 美元。」

这些成本不仅包括物理硬件，还包括相关支持软件，以及开发和验证相关的成本。除此之外，大型主机厂不会直接从 Innoviz 这样的初创公司那里采购如此重要的零部件。因此，主机厂都是与他们信任的 Tier 1 供应商合作进行制造和集成。所以，InnovizOne 由麦格纳（Magna）生产，再与宝马所使用的 L3 系统的其他组件组合，例如基于 Mobile EyeQ5 的视觉系统和安波福的雷达和计算平台。

InnovizTwo 的特性包括：

• 可配置感兴趣区域（ROI）：四个单独控制的感兴趣区域（每个激光器上一个），用于在有限视野中进行动态聚焦，允许在不影响带宽、分辨率或帧速率的情况下增强可见性和射程。

• 多反射：可返回每个像素的多次反射，并在 3D 环境中记录和存储多个点。当激光脉冲击中雨滴、雪花或路径上的多个物体时，这一点非常重要。

• 无间隙像素：由于像素相邻，在扫描模式上没有间隙，这对于构建安全的自动驾驶车辆感知系统至关重要。否则，系统可能会错过与碰撞相关的路面上小物体或位于点云数据间隙内的人，而造成毁灭性的后果。

• 均匀分布 vFOV（垂直视野）：在整个垂直视场上提供统一的分辨率。这使得系统能够获得比其他传感器更多的数据，而非只聚焦在中心（地平线）上，而在向边缘移动时丢失数据。其垂直视野还有平移功能，支持安装公差以及车辆不同装载等驾驶条件。

• 阳光和天气条件适用性：对环境光源（如阳光直射和迎面而来的汽车发出的眩目光）以及恶劣天气条件（如下雨）具有很强的适应性。

Luminar：跨越激光雷达常见陷阱

5 月上旬，小马智行与激光雷达生产商 Luminar 联合发布了一体式自动驾驶传感系统，搭载了 Luminar Iris 系列激光雷达。像小马智行这种移动出行公司本该使用传统机械式激光雷达，现在也选择了可无缝对接、一体化安装在车顶上的产品，来实现 360 度全方位的多传感器融合方案。小马智行计划到 2023 年完成上述车规级自动驾驶系统量产。

美国初创公司 Luminar 成立于 2012 年，其产品总监 Matt Weed 博士表示，在上千种建立激光雷达传感器的独特方法中，有数百种是完全合理的，这也是许多刚起步的激光雷达公司声称自己独一无二的原因，但最终却在从研发转向汽车系列化生产的过程中举步维艰。汽车工业有严格的性能要求，需要确保安全性和可靠性，还有规模经济性要求。

在分析了单光子探测、调频连续波（FMCW）、闪光、扫描镜、MEMS、硅光子等测距方法后，Luminar 选择了线性飞行时间（ToF）激光雷达技术路线，没有使用现成的组件，而是从芯片级开始构建独特的架构，跨越了其他许多激光雷达所面临的常见陷阱。目前，其处理硬件 ASIC 已升级到第四代。

很多关注激光雷达的人都在问：Luminar 到底是什么技术？是不是 MEMS？看看上面的图就会发现，它使用的扫描方法是 「120°×30°FOV 的 2 轴扫描镜，仅扫描激光而非转动整个激光雷达」，这表明，Luminar 的激光雷达不是全固态产品。

Luminar 的技术有三大创新，包括激光波长、接收器技术，以及上面提到的软硬件一体，形成了增强技术的护城河。

• 激光波长：采用光纤放大方式实现对人眼无害的 1550 纳米大功率激光，功率是传统硅光电系统的 40 倍，不仅提高了信噪比，还增加了探测距离和点云分辨率。而 Velodyne 等其他厂商都是 905 纳米激光，对人眼有害，无法实现大功率。器件方面，利用铟镓砷（InGaAs）激光接收器将固态激光雷达的成本降到 500-1000 美元可销售范围。L2 用 500 美元的，L4 用 1000 美元的。1550 纳米是全天候的，雨雪雾天都基本没有影响。

• 测距法：Luminar 的所谓线性飞行时间是为点云中的每个像素发送一个短脉冲，测量速度非常快，可以立即获得反射率，且没有速度相关的范围误差。其他技术声称比 ToF 好，但在最高水平时，它们发出的光较少，必须收集相同数量的信号，这意味着每次测量所需的时间明显较长。

• 软件：通过分析常见架构的缺陷，Luminar 构建了一条不会造成性能折衷的路径，以满足业界严格的性能和经济要求。为客户提供激光雷达硬件和相关软件，既保证不妨碍实现强健的安全性，又有助于实现自动驾驶的成本目标。

Hydra 是一套完整的工具集，Luminar 用它测试和开发多种应用，用来加速各种车型的实施，以实现系列化生产。它可以配置一个或多个激光雷达传感器，实现从高速公路到城市道路的自动驾驶。其激光雷达前后最大范围为 500 米，反射率大于 10% 条件下射程 250 米。卡车运输使用三个传感器（360°FOV（视场角）），乘用车使用单传感器（120°FOV）。

3 月，Luminar 与上汽集团达成战略合作，将为后者 2022 年开始量产的 R 品牌纯电动车提供激光雷达传感器及相应软件系统。R 品牌采用的 R-TECH 技术包含智能驾驶、智能座舱、三电科技等前沿技术，特别是全栈自研的高阶智驾方案 PP-CEM，构建了全天候、超视距、多维度的 「六重融合式感知体系」，其中包括激光雷达、4D 成像雷达、视觉感知摄像头、超声波雷达、高精地图、5G-V2X，从而实现 R PILOT 3.0 级别自动驾驶。其激光雷达正是 Luminar 的产品。

不过，有一点不能忽略，那就是 「风险提示」：Luminar 是目前市值最高的激光雷达公司，巅峰期大约 120 亿美元，目前市值在 90 亿美元左右，是老牌激光雷达厂家 Velodyne 的 4 倍左右。

与特斯拉如出一辙，Luminar 追求最高性能和最短出货时间。从其 2020 年 9 月专利中可以看到，双电机、皮带驱动的扫描镜是一种近乎疯狂的设计，有悖于小型化固态激光雷达设计理念。所以，Luminar 能否像签署几份战略合作那样轻松成功，还要看资本的态度。

国内企业还有差距

实现固态 / 半固态激光雷达，降低成本，也许国内厂商的能力不在话下，但深究起来，在芯片自研以及软件建模和自动驾驶识别决策等方面，国产激光雷达企业还要发力追赶，特别是系统级软件层面，因为这才是一些国外公司的核心竞争力所在。