CES2016-激光雷達固態篇

一年一度的CES消費電子展都能看到汽車電子界最新最炫酷的技術。今天我們就來說說CES2016上展出的汽車激光雷達技術。詳細聊一聊激光雷達在自動駕駛中的地位、何為「固態」激光雷達以及「固態化」是怎麼成為未來發展趨勢的。

首先，什麼是激光雷達。

激光雷達LiDAR的全稱為Light Detection and Ranging激光探測和測距。其正好與雷達Radar的定義Radio Detection and Ranging無線電探測和測距相對應。如上圖所示，激光雷達的工作原理：對人畜無害的紅外光束Light Pluses（多為950nm波段附近的紅外光）發射、反射和接收來探測物體。能探測的對象：白天或黑夜下的特定物體（如圖上的鹿）與車之間的距離。甚至由於反射度的不同，車道線和路面也是可以區分開來的。哪些物體無法探測：光束無法被遮擋的物體是無法被探測到的（如圖上樹後的鹿）。眾所周知雷達技術已經在許多具有先進駕駛輔助系統ADAS的量產車上裝配使用。但是為了進一步提高檢測精度和可靠性，可以說在嚴苛的無人駕駛系統中激光雷達成為一種不可替代的感測器。

下面我們來談談什麼是「固態」激光雷達。

在CES2016上展出的兩款重量級產品分別是來自Quanergy的「固態」Solid State激光雷達 S3（下圖一）和由福特汽車發布用於無人駕駛計劃的Velodyne HybridSolid State「混合固態」激光雷達VLP-16 PUCK（下圖二）。一時間，感覺推出的激光雷達產品如果不是」固態「的都不好意思拿出手。

那麼這裡「固態」到底是個什麼概念呢？難不成還對應液態不成？實際上下圖一對應了我們身邊最直接的例子，右側的「固態」硬碟SSD內部沒有機械旋轉部件，所以體積小穩定性高。對應的左側「機械」硬碟HDD內部基於機械旋轉部件進行數據讀寫的方案。因此「固態」概念可以稱為基於電子部件，無機械旋轉部件的解決方案。如下圖二所示，左側最早由谷歌提出的無人駕駛汽車，基於置於車頂的360度機械旋轉激光雷達實現。它的性能非常好，但是相應的也具有成本過高（幾千美元級別），體積大、外部可見等劣勢。右側對應的「固態」激光雷達產品則由於採用電子方案去除了機械旋轉部件，因此具有低成本(幾百美元級別）和體積小、可集成至傳統車輛外觀中的特點。

激光雷達未來發展趨勢-固態化，小型化，低成本化

之前提到最早谷歌提出的無人駕駛汽車就是基於置於車頂的機械旋轉激光雷達產品實現的。它其實就是來自Velodyne公司的64波束激光雷達。而這款產品當初的價格也是驚人的超過了7萬美金。是谷歌採用的原型車豐田普銳斯售價的兩倍還要多。雖然它的性能非常好，但是為了實現將來無人駕駛汽車的量產，成本降低是必然之路。如下圖一，從左至右分別為Velodyne的64波束（用於谷歌無人駕駛汽車）、32波束（用於福特CES2016無人駕駛概念車）以及混合固態Hybrid Solid State 16波束 VLP-16 PUCK（將用於未來的福特無人駕駛計劃）激光雷達產品。如下圖二、三所示分別為與CES2016發布的基於福特蒙迪歐的無人駕駛概念車，以及裝配於車頂的4個Velodyne 32波束激光雷達。

「混合固態」和全「固態」

雖然福特蒙迪歐無人駕駛概念車上所使用的Velodyne 32波束產品相較64波束產品在體積和成本上都有所改善，但其實際售價仍然接近1萬美元。因此進一步的固態化，小型化，低成本化成為一個必然的方向。如下圖Velodyne在其最新的16波束產品VLP-16 PUCK上提出了「混合固態」的概念。大家可能會奇怪，什麼叫混合固態呀？下圖一為VLP-16 PUCK的官方數據信息。從其小巧的外形和雙向迴轉Dual Return及360水平視角Horizontal FOV等參數中不難看出，這款產品外形上不存在可見的旋轉部件，但是為了360全視角其內部實際上仍然存在一些機械旋轉部件。只是這套機械旋轉部件做的非常小巧可以內藏而已。Velodyne為了將這樣的產品概念和傳統「固態」概念區分開來，因此引入了「混合固態」的稱呼。這款16波束的激光雷達官方公布售價為7999美元，可見也不低。通過福特的一些官方宣傳資料可以了解到，通過量產後的成本控制這款產品將降到500美元左右。鑒於差價如此之大，所以我們可以保守估計將來量產成本進入1000美元更有可能實現。

實際上奧迪早在去年的CES2015就由技術總監提出了激光雷達小型化的概念。只是當初還未引入「固態」激光雷達概念而已。如下圖一，奧迪技術總監正手握來自IBEO的小型化激光雷達產品進行展示，下圖二，由於IBEO與傳統汽車供應商法雷奧Valeo的合作，最終量產將由法雷完成。下圖三為裝配了這款小型化激光雷達產品SCALA的奧迪A7 Piloted Driving無人駕駛概念車。實際上從內部結構來看，其小型化的實現方法也是盡量減少內部旋轉部件，而外觀上無可見的機械旋轉部件。因此應該也可以算作「混合固態」激光雷達。類似的還有Quanergy的第一代激光雷達產品MARK VIII也是如此，該產品與2014年下半年應用於賓士的無人駕駛測試車。

那麼此次來自Quanergy的「固態」激光雷達S3又是什麼樣的呢？讓我們來通過Quanergy在CES上的演講和其相關的專利說明來詳細探討一下它的創新之處吧。簡單的說，這是一款全「固態」的激光雷達，或者稱光學相控陣激光雷達。其目標量產成本為250美元。首先如下圖一所示，其滿足了激光雷達小型化的大趨勢，整個尺寸只有90mm x60mm x 60mm。如圖二的產品工作原理展示中可以看到內部機構不存在任何的機械旋轉部件。所有的激光探測水平和垂直視角都是通過電子方式實現的。因此其名副其實的是全「固態」激光雷達產品。其競爭力和創新性的核心就來自展示中提到的三個關鍵詞光學相控陣列Optical Phased Array、光學集成電路Photonic IC、遠場輻射方向圖Far Field Radiation Pattern。下圖三中通過專利展示了更詳細的激光模塊（標號10）內部細節。其由3塊電路板（標號50）組成，沒有任何機械旋轉部件。其中標號20的發射晶元基於具有光學相控陣列的光學集成電路產生可控的遠場輻射方向圖的激光束，標號30為集成曲面鏡頭的接收晶元，標號40為控制及信號處理晶元。說到那麼多專有名詞是不是暈了。那我們舉個例子，這款產品就像使用相控陣技術的雷達一樣，通過電子技術可以方便的探測所需視角的目標而不再需要等待雷達旋轉到相應方向。它甚至可以通過軟體控制對某個感興趣的方向進行放大Zoom In操作。下圖四，所示為採用相控陣雷達技術的軍艦。可見相控陣雷達為一個固定的平面，沒有旋轉部件。其實相應的技術已經在德爾福Delphi的汽車多模式電子掃描雷達中使用。只是應用到激光雷達還是業界第一次而已。

說到激光雷達產品，給人的第一印象就是它不可能很快的在汽車上量產。因此基本上主流的激光雷達公司的主營業務都不是汽車。比如Velodyne作為一家矽谷公司，雖然參加了多次無人駕駛挑戰賽，但其大客戶仍然是工程機械公司，比如卡特彼勒。而IBEO這家德國公司的主營業務則仍然在工業安防保護上。因此汽車業務上，IBEO和傳統汽車零件供應商法雷奧展開了深度合作。那麼來自矽谷的Quanergy公司呢？首先要說說創始人Eldada博士。Dr. Eldada是哥倫比亞大學電子工程專業的博士，專攻低成本高精度激光雷達方向。其專業性從他發表的SAE汽車工程師協會論文和文後提到的相關專利可見一斑。但如前所說，即使有好的產品在汽車應用中短期盈利也是很難的。如下圖一所示來自Quanergy官方的投資信息可以看到，主要的合作夥伴包括賓士、現代、雷諾尼桑。而投資方列表中傳統汽車零件供應商德爾福Delphi赫然在列。有了強大的投資方，加上自身獨創性的技術，這就是Quanergy在汽車行業生存的資本。如下圖二所示，德爾福也在其無人駕駛技術路線圖上提到了相應的固態激光雷達概念，而其中的合作夥伴就是Quanergy公司。路線圖從1959年最早的巡航控制開始，包括抬頭顯示、碰撞預警、最早基於雷達的自適應巡航系統、多模式電子掃描雷達、最早帶行人保護功能的緊急剎車系統、360度駕駛監控系統，再到此次CES 2016發布的車車通訊V2V & 互聯互通系統V2X，以及這裡提到的固態激光雷達。這些最終組成了德爾福提供的通向完全無人駕駛的解決方案。

綜上所述、無論是Velodyne VLP-16 PUCK 和 Valeo SCALA提供的「混合固態」激光雷達還是Quanergy S3基於光學相控陣列的全「固態」激光雷達，都預示著激光雷達的固態化、小型化、低成本化是大勢所趨。有了這樣低成本高精度的激光雷達，我們又向無人駕駛的量產邁出了一大步。

參考文獻和擴展閱讀

專利US20150293224A1 固態光學相控陣列激光雷達及使用方法

專利US20150378241A1平面波束成形和調向光學相控陣列集成電路及使用方法

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