拆了5款激光雷达后,我摸清了里面的元器件!【附700页报告】

感知芯视界 2023-12-08 18:13


由于FMCW激光雷达面临激光器成本高、窄线宽线性、光波导器件表面公差难控制等一系列问题,我们认为3-5年之内难以成为实际落地方案,因此在供应链的探讨中,我们只讨论TOF激光雷达,不对FMCW的激光器、调制器等部件展开论述。 



来源:中信证券《从拆解五款激光雷达看智能驾驶投资机遇》
编辑:感知芯视界


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一、发射端:国产激光芯片从VCSEL开始突破

在激光雷达中,发射端是价值量最高、壁垒最高的环节之一。在发射端中,随着国内产业链崛起以及产业的整体技术路线调整,905nm VCSEL激光芯片等产品有望在市场实 现突破。此外,1550nm光源也具备独特优势,与主流的905nm形成错位竞争,未来随着FMCW测距路线的逐步发展,预计其份额还有进一步增长的空间。 

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光源:905nm走向VCSEL大势所趋,1550nm实现错位竞争

发射端的“心脏”就是光源。目前,决定光源技术路线的主要可以归纳为发光波长、激光器结构两大指标。按照波长划分,最主流的是905nm波长和1550nm波长。按照结构来划分则主要分为EEL(边发射激光器)、VCSEL(垂直腔面发射激光器),以及1550nm使用的光纤激光器。

光源的选择制约因素主要有性能、成本、产业链成熟度、人眼安全四大要素。光源选择完之后,需要解决光源校准、温漂、无热化三大问题。接下来我们将从一些重点关注的问题出发,分析不同技术路线的优劣势与特点,以及对应产业链环节的壁垒和价值。 

本节主要回答以下问题。1、为什么激光雷达会选择在905nm和1550nm发光;2、905nm和1550nm各有什么优势,各自的应用场景是什么?3、为什么欧司朗在905nmEEL的一家独大的局面难以动摇;4、为什么905nm VCSEL会成为产业趋势;5、为什么TEC在激光雷达里不再被需要;6、为什么激光器里需要加快慢轴准直。

1、为什么是905nm与1550nm?自然传播窗口与产业链成熟度共同决定 

首先,为何有905nm与1550nm两条路线,而不是其他波长?这首先受到激光传播窗口的限制。大气吸收谱限制了哪些激光波长能够在空气中使用,比如300nm以下的短波会被臭氧吸收,1微米以上的红外波长又经常会被水蒸气吸收,所以激光器通常只能在 少数特定窗口工作,如下图37白色背景部分(可以注意到很大一部分与可见光波长重合)。白色窗口中又有一大段是可见光,如果直接采用可见光又会对人眼产生视觉干扰,所以剩 余的传播窗口是有限的。图中四条红线从左到右分别代表865nm、905nm、1310nm、1550nm波长,均处于白色窗口中,都能在空气中正常工作。 


在以上诸多个传播窗口中,为什么选择了905nm与1550nm?这与现存的产业链成熟 度有关。1550nm光纤激光器是光通信领域应用最广的光源之一,而905则与消费电子共用产业链(手机上的3D ToF传感器通常使用940nm光源,与905基本属于同种半导体激光器,可以共用GaAs材料体系),所以都有一定的发展基础。

2、选择905nm还是1550nm?允许的峰值功率高使得1550nm有探测优势,材料体系使得905nm有成本优势

在905nm与1550nm光源中如何做选择?主要还是取决于需求。激光雷达用户对激 光雷达的首要需求就是看得远(发光功率大)、看得清(分辨率高,激光器点频高)。激光雷达需要看多远?主要取决于制动距离。在通常的柏油路面上,120km/h条件下,制动距离接近130米,所以需要确保探测距离在制动距离之上,才能在高速场景下保障安全。


那么是否现有的905nm和1550nm激光雷达都能做到足够长的探测距离?其实不然。1550nm激光器由于采用光纤能够放大激光,因此其功率更大,几毫瓦功率的种子光源经过光纤放大,瞬时发光功率可达1kW级别(905nm激光器则只有100W级别)。大功率带来的好处是探测距离更远,根据目前各家产品参数,1550nm激光雷达对10%反射率物体的探测距离通常能够达到250m以上(905nm大多在150m@10%左右)。对10%反射率物体具备150m探测距离有些时候是不够的,其原因在于有大量低反射率物体,比如动物毛皮、轮胎等,这些物体同样会影响驾驶安全,但激光雷达对其探测距离往往会大幅缩减,在这种情况下,1550nm激光雷达会有更高的安全系数。

既然探测距离主要跟激光的功率有关,那么905nm激光雷达为什么不通过增加功率来提升探测距离呢,这里遇到的主要挑战是人眼安全。所谓人眼安全就是激光雷达不能明显加热人的眼球结构,不能烧坏视网膜、晶状体、玻璃体、角膜等重要的光学结构。视网膜是视神经的延伸,如果损坏将直接导致视力永久性损失。晶状体、玻璃体等前部光学部件如果损坏,则可能导致白内障等病症,同样会导致视力严重损失。 


而要保证不损伤人眼,需要满足何种功率限制?这方面ANSI和IEC等权威组织已经有了较为明确的结论。由于红外激光对人眼的损伤通常属于加热效应,因此需要保证激光 照射不导致明显的温升。由于发热等于功率和时间的乘积,因此要满足尽量不发热,只需要激光照射的时间足够短,或者连续照射功率足够小即可。

由于905nm更接近可见光,视网膜对其更敏感,同时液态水对其吸收也更少,因此这种光线更容易直达视网膜。相比而言,1550nm容易被水吸收,因此在抵达视网膜之前 已经被玻璃体等前部结构进行一轮吸收,抵达视网膜的较少。同时1550nm光折射率更大, 即便是抵达视网膜,也不容易聚焦成很小的光点,能量相对分散,进一步减小了损伤。


基于以上原因,在连续波情况下,1550nm激光的人眼安全功率达到905nm的10倍(如左下图所示),如果是瞬间发光则倍数更多,如果发光控制在纳秒级别(激光雷达通常一个脉冲只有几个纳秒),那么 1550nm激光人眼允许的强度可以更高。


所以,905nm激光功率不能再大幅增加的原因在于人眼安全,1550nm的探测距离优 势将继续保持。然而,1550nm激光器的短板是其成本更高。 

905体系近红外激光器发展较早,是基于GaAs材料体系的(其他近红外激光器如 850/865nm、1064nm等也使用GaAs类材料),最早的LED(半导体发光二极管)、最早的半导体激光器都是基于GaAs开发的,可以说产业十分成熟,成本已经很低。 

而另一条路线1550所使用的激光器种子光源材料为InGaAsP,需要基于InP体系开发,一方面其发展比GaAs要晚一些,另一方面In元素本身也更稀有,成本也更高。根据Chemical Book网站的数据,铟的地壳丰度只有百万分之0.05,与银相近,其稀有性决定 了其价格必然较高Yole对InP EEL、GaAs VCSEL、GaAs EEL的成本进行了对比(由于反射效率、散热效率等物理层面问题,InP体系目前没有实用的VCSEL激光器)。橙色部分显示的是晶圆基片的成本,从中可见,虽然6寸晶圆的面积是4寸晶圆的2.25倍, 但是4寸的InP晶圆基片成本却比6寸GaAs晶圆基片贵3倍多,如果换算成单位面积成本,那么差距就更大了。半导体激光器晶圆还需要在基片上进行外延生长(沉积上真正的发光材料等),这部分成本在图中体现为黄色,InP晶圆的外延生长成本仍然明显更高,比6寸GaAs EEL高了数倍。如果再考虑光纤成本,1550nm激光器成本就更高。


1550nm激光器的成本受到材料因素与激光器类型因素的限制,并非是通过大规模生产就能够降低到905nm激光器同一水平的。 

综上所述,受到人眼限制,1550nm路线的探测距离优势明显,而受到材料限制,905nm路线的成本优势也同样明显,因此二者构成错位竞争。预计1550nm激光雷达将主要用于以安全性为核心卖点的车辆(如沃尔沃等)价位和品牌定位较为高档的车辆(如蔚来、奔驰、上汽飞凡R等)重卡(刹车距离较长,奔驰重卡采用1550nm激光雷达)等特殊定位的车辆。其余车辆受限于成本,则更适合采用905nm激光雷达。 

不过1550nm和905nm的功率特性也对其成本有所影响。通常1550路线的激光器较少,一般只需要一个光纤激光器(包含一个泵浦光源和一个种子光源),之后还可以对光纤中的激光进行分束,1个激光器就能同时打出多个光点,例如图达通falcon采用1分4设计,1个激光器可同时产生4条光束进行扫描。而905nm路线的激光器由于功率有限,通常无法分束,需要的激光器数量更多,比如速腾M1就采用了5个收发模组同时发光,5个激光器同时发光进行扫描。禾赛AT128则配置更为豪华,直接采用128个VCSEL激光器来实现128线扫描。可以说1550nm激光的高功率特性在一定程度上缩小了与905的成本差距


3、905nm EEL,欧司朗一家独大局面暂难改变

905nm路线又分为EEL和VCSEL,目前全球和国内的905nm EEL的光芯片基本采用了欧司朗的光芯片。除了有先发优势外,另一大原因就是欧司朗后来在低温漂EEL上通过专利构筑了自己的优势,而温漂是激光雷达的一个很大的挑战。


如上图所示,EEL光芯片在温度发生变化时光的波长会发生漂移,大约为0.3nm/C°由于汽车的工作温宽特别宽(-45°~+85°),因此120度左右的温宽范围能造成高达40nm左右的温漂,这给接收端带来了巨大的挑战,会影响激光雷达的探测距离和成像质量。 

欧司朗实现低温漂EEL的原理并不复杂,正如VCSEL实现低温漂的关键在于上下两层DBR反射镜,欧司朗的低温漂EEL其实也是利用了DBR。只不过VCSEL的DBR在上下两面,而欧司朗将DBR放在了EEL激光器的侧面(图中130所标记的即为DBR), 与出光面上的镀膜(图中125)构成谐振腔,利用DBR实现了波长的精确筛选,从而实现低温漂。


虽然低温漂EEL原理上并不十分复杂,但由于欧司朗构筑了较强的专利壁垒,因此在EEL领域其市场地位较难动摇。

4、低成本,VCSEL取代EEL大势所趋

虽然目前激光雷达领域的光源还是以EEL为主,但在905nm波长上,随着多结工艺提升了发光功率,VCSEL替换EEL的趋势越来越明显,国内激光芯片企业迎来发展机遇。 

VCSEL取代EEL的首要原因是成本,由于VCSEL是上表面发光而不是侧面发光, 不需要在侧面进行太多加工,只需要按照正常的半导体加工工艺批量处理即可。而EEL是侧面发光,所以在形成晶圆后还需要进行切割,分别对每个激光器的侧表面进行处理、镀膜,无法按照现有半导体工艺来一次性处理整个晶圆的激光器,成本较高。按照Yole的统计,EEL的后道处理工序成本比VCSEL高了一倍以上。如果再考虑给EEL增加DBR,就需要在EEL侧面沉积多层晶体,成本会进一步提高。

VCSEL取代EEL的第二大原因是因为过去VCSEL发光功率低的问题已经被新的“多结”工艺所解决。半导体激光器本质上作为一种二极管,也是PN结构成的,所谓多结就是多个PN结。在最初始的LED和激光二极管中,通常只用1个PN结进行发光。而随后为了加大功率,人们开始将一个半导体激光器制作成多层PN结的结构,每一个PN结都能够发光,这就大大增加了发光强度。根据刘恒等发布的《用于激光雷达的高性能多结VCSEL芯片的研究》,下图49是一个6层结的VCSEL,图中“MQW”所指向的区域就是发光层,总共有6个,相当于6个PN结,电流从上到下依次流经6个PN结,就能让6个PN结同时发光,相当于6个串联的激光二极管。我们用多层结的方式将多个激光器浓缩到一个激光器中,自然就提高了发光功率。也正是因为近年来结数的增多让VCSEL的发光功率迅速增大,快速接近EEL。 

此前由于VCSEL发展较晚,而且更多用于消费电子,对大功率没有需求,所以此前的VCSEL大多都是单层结的,功率较小。而激光雷达的发展对大功率激光器提出了需求, 做出多层结的VCSEL并不存在原理上的困难,只是需要时间进行工艺开发,因此随着近 年来VCSEL结数的不断增加,最后一块短板已经被补齐,在激光雷达领域替代EEL已经完全可行。


正因以上种种优势,禾赛科技和华为等激光雷达厂商的方案纷纷走向VCSEL路线,比如禾赛科技在其专利《光发射模块、光探测模块、激光雷达及其测距方法》(专利申请公布号CN114152933A)中就主要使用了VCSEL芯片组成激光发射阵列。 


我国激光产业链在大功率VCSEL方面与国外公司相比完全不落下风,长光华芯、纵慧芯光等公司在此领域具备强劲实力,值得关注。 

5、为什么激光雷达里不需要加装TEC 

另一种解决温漂的思路就是主动对激光器进行温度调节,正如现在的新能源车往往会 对锂电池进行热管理。但这一思路更加凸显了VCSEL路线的优越性。在需要维持光波长 精确的场合主动进行热管理往往需要增加TEC(半导体制冷器,Thermo-Electric Cooler)。针对激光雷达进行冷却,然而加装单个TEC的功耗往往在2-3W的水平,多个激光器这一 功耗水平对于平均功耗只有十几瓦水平的激光雷达来说是一个不小的负担。此外,增加TEC本身也会带来额外的成本开支,由于目前EEL激光器已经解决了温漂问题,VCSEL激光器天然温漂就比较小,因此与光模块不同,在激光雷达里不再需要加装TEC。 

6、快慢轴准直:单激光器配备1-2个准直镜,市场规模有望媲美手机镜头 

发射端除了光源以外,另一类重要部件就是光学器件,其中最重要的一类就是用于对 激光器的光路进行校准的器件,在激光雷达整机中的价值量通常能够达到10-20美金的水平,市场空间也较为广阔。 

为什么需要对激光器发出的光进行校准?因为真实的激光并不是许多人想象当中的笔直的光束,而是存在着发散角的,尤其是半导体激光器,发散角非常大。由于半导体激光器体积小,谐振腔小,对光束的筛选作用比较弱,而且发光面积小,发出的光线会发生 衍射,所以对于EEL来说通常射出的都是椭圆锥形光束,如果对着墙面照射则会打出一个椭圆形光斑,其中椭圆形长轴通常称为快轴,短轴通常称为慢轴,快轴方向发散角可能达到25-50度左右,慢轴方向发散角也可能有十几度到二十度。VCSEL激光器的光束也会呈现圆锥形发散,发散角可以达到20度左右。如果采取这样的光束直接照射,则能量会很快分散殆尽,无法进行有效探测。


另外,半导体激光器由于谐振腔的筛选能力不够强,还存在光束质量问题,也就是光 斑的强弱分布不均(存在多横模),且在主要光斑周围还有少量剩余能量(拖尾效应),所以有时也需要进行调整。针对拖尾问题,经常采用光阑将主光斑之外的少量光束舍弃。


针对EEL激光器,通常需要在发光界面后立刻使用柱面透镜进行快轴准直,如此可以用最小的透镜面积节约成本,例如速腾M1是在每个激光器后紧跟一个快轴准直。在进行快轴准直后,通常会再进行一次慢轴准直。经过两次准直后激光将具有较好的直线性。


镭神智能的一款激光雷达发射模组中采用8个EEL激光器,在每个激光器的出光口直接安装1个快轴准直镜,体积更小,仅有亚毫米尺度,肉眼基本无法直接分辨。


而针对光学校准,1550nm路线再次展现了其优势。由于1550激光雷达使用光纤激光器,而光纤(通常使用单模光纤)本身就具有极强的光学校准能力,因此1550nm激光器的光束质量较高,输出的几乎是完美的圆形高斯光斑。同时其发散角也较小,根据武汉理工大学张睛等人的研究,圆光纤的发散角只有6度多,通常只需要在光纤后加一个普通的球面凸透镜即可。


此外,对于绝大多数激光雷达,在接收光路上通常都需要用凸透镜进行光线汇聚,将从目标处反射回来的平行光汇聚在接收器所在的较小面积上。对于部分短距离flash激光雷达,准直需求将变为光场强度均匀化以及光束视场角扩大的需求,因此会对光场匀化器、光束扩散器等光学元件产生需求。 

随着激光雷达行业发展,预计对光学器件的需求将稳定持续增长。快轴准直镜将有较 大需求,此外慢轴准直镜、快慢轴准直一体化透镜、球面透镜等也将有较多市场需求。未来若激光雷达达到较高渗透率,按照单车1前向2侧向的配置,单台激光雷达光学元件价值按照10美元计算,则全球市场规模有望超过百亿人民币,与手机镜头相近。

在光学校准元件方面,炬光科技、永新光学、蓝特光学、福晶科技、腾景科技等一批 国内公司都分别在各自擅长的领域具备一定的实力。 

散热与无热化设计:避免产生光路变化,保障激光器高点频 

发射端除了发光、校准光之外,还需要保障持续可靠工作,最主要的就是尽量避免发热的影响。如果发热得不到有效控制,则温度上升,不仅会导致激光器温漂,还会导致其他元件变形,对光路产生影响。由于功耗原因,通常不在激光雷达中进行主动降温,因此就需要考虑散热设计与无热化设计。所谓无热化,主要是指补偿设计,当温度发生改变,光学器件发生形变,但系统中不同部件的形变效果几乎恰好抵消,使得光学系统的效果几乎不受温度影响。 

在激光雷达中,通常主要的发热部件就是芯片和激光器,针对芯片,通常采用导热胶或导热硅脂等方式进行充分散热,以免热量影响自身以及其他部件工作。


实现良好的散热对于提高激光器点频具有重要意义,从而能够打破帧率、分辨率、视野构成的不可能三角。针对大功率激光器主要是采用热沉进行散热,此处热沉(heat sink)通常是指一些能够持续吸收热量或者将热量传导走而又保持温度稳定的物体,在激光器当中通常指散热材料。 

无热化的方法不尽相同,例如可以采取径向折射率不同的材料制作透镜来减弱温度的影响,或者采用带有记忆特性的材料来让光学元件之间产生相对位移,从而抵消形变的影响等。 


二、接收端:905nm走向SiPM,1550nm使用APD,PDE与可靠性是关键


目前激光雷达所用的接收端主要分APD、SPAD/SiPM两大路线,这两种路线其实同根同源,都是利用二极管的雪崩击穿效应。 

众所周知,二极管具有单向导电性,在反方向几乎不导电,除非施加较大的反向电压, 直接强行让二极管击穿。雪崩击穿就是二极管击穿的一种,想象一块从山顶滚落的石块,如果其速度够快,它就能够撞碎沿途的树木和其他石块,并且这些碎块将伴随初始的石块共同加速滚下山坡,在途中不断造成更大的破坏,最终越来越多石块将加入这一过程,造成巨大破坏,这一过程与雪崩极为类似。二极管的雪崩击穿中,石块换成了电子,强大的反向电压导致少量电子高速运动,并将其他原子中的电子击飞出来成为自由电子,这些自 由电子又将更多的电子击飞成为自由电子,导致反向电流迅速扩大,二极管击穿。 

雪崩击穿与光子探测的关系就在于,光子能够激发电子使其成为自由电子,在合适的条件下能够诱发雪崩击穿。只需探测到二极管反向电流的突然增大,就意味着有光子存在。最初利用光子激发电子原理的是光电二极管PD(Photo-Diode),光子能够增大反向电流,但无法导致击穿,反向电流仍然很小,因此探测灵敏度不高。APD(Avalanche Photo-Diode, 雪崩光电二极管)其实就是光电二极管的升级版,直接给光电二极管加上反向电压,这个反向电压十分接近击穿电压,如此只需有少量光子就可以诱发雪崩击穿,导致电流剧增,真正实现了高灵敏度的光探测。SPAD(Single Photon Avalanche Diode,单光子雪崩二极管)则是在APD的基础上更进一步,直接施加反向电压使其处于击穿状态,此时甚至只需要1个光子击中二极管中的电子就能够诱发大规模的雪崩击穿,所以SPAD能够实现单个光子的探测。由于SPAD的单光子探测功能,光电子大厂滨松也将其称为SPPC(single pixel photon counter,单光子计数器)。 


PD、APD、SPAD本质相同,只是工作于不同的反向电压下,导致1个光子能够激发出的电子数量不同,探测灵敏度也就随之产生了极大的差距。


SiPM(Silicon Photo-Multiplier,硅光电倍增管,滨松也称为MPPC,多像素光子计数器)就是一组并联的SPAD,用于弥补SPAD对光强感知能力不足的问题。由于SPAD只需1个光子就会发生雪崩,同时有100个光子入射和1个光子入射并不会带来什么区别。为了解决这一问题,直接将大量SPAD并联,通过发生雪崩的SPAD数量即可判断光强。如今使用SPAD探测器的激光雷达通常都会直接使用SiPM,而不是单个的SPAD。


虽然SPAD灵敏度明显高于APD,但接收端不是仅仅以灵敏度为标准,APD与SPAD各自有其应用场景,APD也具有高动态范围、高量子效率(无用功更少)等优点。


APD:低成本高可靠仍有价值,1550路线需使用APD

早期由于SPAD技术成熟度不足,激光雷达通常使用APD作为接收器。本次拆解的较早型号的镭神CH32,其接收端芯片使用了一列APD。

目前APD与SiPM相比灵敏度上存在较大差距,因此在较新的追求探测距离的905路线激光雷达上已经出现了被替代的趋势。但APD受自然光和环境温度干扰程度更轻, 在强烈阳光等场景下也具有其价值。


展望未来,APD一个较为确定的应用场景是1550路线的激光雷达。由于硅材料的限制,SiPM通常只能探测波长在1100nm以下的光子,对于1550nm的光子力有不逮。探测1550nm的光子通常需要InGaAs/InP系列材料,此类材料内部缺陷相对较多,如果制程SPAD,则其暗计数率(DCR,每秒在无光条件下由于材料内部热载流子自行引发雪崩的次数)较高,所以通常采用APD。 
目前在1550nmAPD领域,我国已有企业布局,例如芯思杰为镭神智能开发阵列SPAD,也正在和国内其余头部激光雷达在合作。 

SPAD/ SiPM:905nm路线替代APD已成大势,关注PDE与可靠性 

近年来SiPM技术成熟度日渐提高,其高灵敏度的特性已经得到业界充分认知,越来越多的激光雷达接收端开始采用SiPM。例如速腾M1的接收端就采用了滨松的SiPM。


SPAD/SiPM路线面临的一个比较明显的问题是自然光干扰,尤其是强烈日光的干扰。由于日光是连续谱,几乎涵盖了所有激光雷达的工作波长,所以仅靠滤光片是无法完全滤除阳光的,强烈的阳光入射会导致SiPM中多个SPAD单元饱和,并且在恢复初始状态前都无法吸收光子,因而有可能漏掉真正的反射信号。

所以在强烈的日光下,使用SPAD/SiPM的激光雷达经常会出现探测距离明显下降的 问题。虽然目前已有一些算法进行日光干扰的处理,但往往效果并不完美,有时还会引入额外噪声,所以SPAD对自然光的处理仍然是一个难题。 

目前SPAD/SiPM领域主要被索尼和滨松占据,安森美也有一定份额。国际厂商在光子探测效率PDE(Photon Detection Efficiency)、可靠性(包括暗计数率DCR、后脉冲、串扰等)方面占据领先优势,其中索尼在PDE和分辨率方面占据优势,推出了100k像素的IMX459,而滨松在可靠性方面积累深厚,新产品串扰发生率只有前代的不到十分之一, 暗计数也实现了减半。


我国也有一些公司在SPAD/SiPM领域进行布局,例如南京芯视界、灵明光子、阜时科技等,但从数据上来看,在PDE和DCR指标方面都还有进步空间。


扫描端:转镜的核心壁垒在时序控制算法,MEMS 振镜有较高难度 

目前市面上主流的长距离激光雷达扫描方式为转镜类和 MEMS 类,我们预计在短期 内这一局面仍将持续。 

转镜:简单可靠,目前最容易通过车厂认证的路线 

转镜是目前应用最广的路线,包括禾赛、华为、图达通、镭神智能等大多数厂商都有 采用转镜路线的产品。转镜路线的核心要素是电机以及针对特定波长高反射率的镀膜反射 镜,通常转镜只需保证匀速旋转即可,无需变速或其他特殊控制,整体难度不高。具体方 案上,转镜可以单独工作,也可以搭配振镜,或采用线光斑扫描等方式。我国市场上,鸣志电器、湘油泵等厂商得益于电机技术基础,在转镜领域有一定储备。

单一转镜:采用不规则棱镜方式实现多线束扫描 单个转镜是最为简单的方案,比如镭神智能的 32 线转镜雷达,就是通过 8 个 EEL 激 光器和一个四面倾角略有不同的转镜来实现的 32 线扫描。从测量数据可见,其使用的转 镜底边各个棱长略有不同,导致每一面并不是规整的矩形,四面镜子存在大小不同的倾角。


转镜+振镜扫描:改变振镜转速与激光器点频制造 ROI

与单独的转镜方案不同,转镜+振镜方案灵活度较高,能够支持 ROI 设计(密集扫描 重点关注区域,其他区域保持常规扫描频率)。图达通的 falcon 激光雷达采用的就是转镜+ 振镜方案,转镜负责水平扫描,振镜负责垂直扫描。 

根据图达通发布的专利《用于 LiDAR 系统的二维操纵系统》,光束从光源射出后打在 振镜上,并被反射到转镜上,从转镜上反射到外界,再从被测物体处原路返回,回到接收 光路中。多个光源呈现略微不同的角度,同时向振镜发光,即可实现多线扫描。实际中采 用的是光纤一分四,四线同时扫描。


与专利中的不同在于实际的转镜采用的是五边形,这与水平视场角有关,棱镜棱数越 多水平视场角就越小,五边形能够达到其标称的 120 度水平视场角。另外图中收光透镜处 呈现绿色是因为振镜的倒影呈现在透镜上,振镜采用了增反膜来增强对 1550nm 光束的反 射率,所以呈现绿色。转镜上则有一层金属膜增强反射率。

图达通的此种设计的一大优势在于能够灵活调节 ROI。垂直方向上,可以设定振镜在 某一角度区间内旋转较慢,则对应的范围内扫描点将会更密集。同时在一个特定的水平视 场角内也可以设定 ROI,这是通过改变激光器点频来实现的,由于转镜的转速是恒定不变 的,因此只需周期性提升激光器点频。

转镜+线光源:华为/禾赛的新路线 

转镜与线光斑的组合是一种较新的组合。华为在其新款激光雷达上采用该路线,由 8 个半导体激光器充当光源,并经过光学器件的整型成为均匀的线光斑。根据禾赛科技招股 说明书,其芯片化 V1.5 方案与当前的 AT128 较为相似,而芯片化 V2.0 产品采用的是转 镜+线光源方案,意味着禾赛科技也有意向开发线光斑产品。


线光斑路线的优势在于发射的是连续的线光斑,因此垂直方向的分辨率非常高,而且 如果需要进一步增加垂直分辨率,只需增加接收端的分辨率,无需增加激光器(发射端分 辨率约等于无限),升级成本更低。 

线光斑路线的挑战在于,一方面需要全新的光学设计和算法设计,另一方面线光斑要 求较大的出入光窗口,因此受到外界自然光的干扰也相对强烈一些。由于光路的可逆性, 点光源路线的激光雷达,只有与当前发射光线角度近乎完全相同的外界光线才能进入接收 端,而对线光源激光雷达而言,当前扫描到的一条竖线上的外界光线都可以进入接收端, 显然干扰光的数量远多于点光源路线。而且由于线光斑的能力更为均匀,也就更为分散, 因此接收端往往也需要使用更为灵敏的 SPAD/SiPM,受到阳光的干扰也就更为严重,会 出现强光下探测距离下降的情况。 

MEMS 振镜:尺寸较小,平衡性能与体积 

MEMS 振镜是另一种主流路线,具备体积较小的优势。按照驱动方式,MEMS 可以 分为静电式、电磁式、电热式、压电式,但目前市面上主要只有静电式和电磁式两类,后 两类属于实验室产品。在这两类之中,电磁式无需高电压驱动,无需升压电路,而且驱动 力明显大于静电式(可以驱动更大的镜片,使激光束可以始终完全击中大幅摆动的镜片), 扫描范围也明显更大,所以目前电磁式 MEMS 是激光雷达的主流。

速腾 M1 是采用 MEMS 扫描模式的代表。其整机具备 5 个激光收发模组,与收发模组 一一对应的是 5 个固定反射镜,这 5 个固定反射镜将激光器的光束反射到中央的 MEMS 振镜上,并随着 MEMS 振镜的不断振动实现 5 条光束的同时扫描。


由于 MEMS 振镜振动的角度范围比较有限,通常只有 10 余度,带动光线扫过的角度 也只有二十几度,所以需要 5 个激光器各自负责 20 多度的一个扇区,拼合起来实现与转 镜路线相同的水平视场角。


拆开来看,速腾 M1 的 MEMS 模组后侧是强力永磁体,长轴长度 7 毫米的振镜靠极为 纤细的金属丝(直径仅有大约 0.1 毫米)固定在线圈上,线圈通电则能够带动振镜振动。


MEMS 领域,国内希景科技、英唐智控、知微传感等公司都有产品发布。国际上诸如 滨松、Mirrorcle,以及被英飞凌收购的 innoluce 等都有产品发布,但滨松的产品直径较小, 频率较高,并非直接面向激光雷达场景,innoluce 产品也是小直径高频率的类型,Mirrorcle 则主要擅长静电驱动型 MEMS。国内厂商中,希景科技是速腾的全资子公司,也是其产品 提供方,根据我们的现场测量,其产品长轴直径达到 7 毫米,官网显示其快轴频率为 1.2-1.3kHz,抗 50 个 g 以上的冲击,较为适合激光雷达的需求。 

双楔形棱镜:低成本设计,最有利于低价的方案 

双楔形棱镜是大疆主要采用的扫描方案,其由两块同轴放置的楔形棱镜组成,随着两 个棱镜以不同速度旋转,将在前方扫出类似菊花的图样,其原理类似万花筒。这一方案最 大的优势在于成本低、节约激光器和接收器,Livox Mid-40 官网售价仅 599 美金,而其最 大的劣势在于帧率不足,外圈扫描点数不足。大疆新推出的高端车载产品 Livox HAP(官 网售价 1389/1599 美金)仍采用这一原理,不同点在于水平方向的扫描宽度明显增加了。


在大疆的新款激光雷达上,双楔形棱镜原理仍然没有改变,但不同在于,新款利用菲 涅尔原理,去掉了棱镜上不发挥作用的部分,肉眼可见,新的棱镜每一片都可以分成两截, 实现了减重以及体积收缩,更适合汽车场景。


信号处理:LD 驱动与 TIA 属必需品,FPGA 主要进行时序控制和算法 

与信号相关的部件主要包括激光驱动芯片、跨阻放大器(用来将光电传感器的电流放 大成较大的电压)、ADC/TDC、FPGA 等。在这些领域,国内相关标的较少,但其仍然具 备相当的价值量,也为我国半导体产业升级提供了市场空间。 

LD Driver:越快越好,最大化利用瞬时功率的选择 LD Driver 即激光器驱动芯片,它负责在接收到主控芯片的“发光”指令后,给激光 器产生一个具体的控制信号。对于这个控制信号的主要要求就是足够快,有足够陡峭的上 升沿。通常在低速信号电路中,信号从 0 变成 1 可以看成是瞬间完成的,但在高速电路中, 从 0 跳到 1 的时间消耗就无法忽略了,所谓上升沿指的就是这个从 0 到 1 的过程,反之下 降沿就是从 1 到 0 的过程。

为什么对上升沿有较高要求?如前文所属,激光雷达功率上限受到人眼约束,然而与 探测相关的主要是瞬时功率,因此如果能够将瞬时功率做高,同时让发光时间变短,那么 就能够提高探测距离。同时,缩短发光脉冲时间对于提高激光器点频也有所帮助。因此, 尽可能缩短上升沿和下降沿时间就成为了有必要的选择。

同时激光器要达到高功率短脉冲,不仅需要快速的 LD 驱动,还需要一个能够快速响 应 LD 驱动的大功率电流源,通常是一个 GaNFET。


根据禾赛科技招股说明书,其自研的激光驱动芯片实现了超快上升沿和下降沿,且单 芯片能够驱动 4个通道(也就是 1个 LD驱动芯片可以配合 4个 GaNFET 和 4个 LD使用), 性能较为优秀。


TIA:高速运放,SiPM 仍需使用 

在接收端,APD 或 SiPM 接收到光子后产生电流,理论上通过这个电流即可获知光强, 然而实际上尽管反射光信号已经经过了 SiPM 或 APD 的放大,却仍然较小,通常需要再次 放大。而且光电传感器输出的是电流信号,不利于与数字电路相融合,如果将其转化为电 压信号,则一方面方便数字电路处理,另一方面也能够减小功耗。完成放大和电流转电压 (“跨阻抗”或“跨阻”的由来)任务的就是跨阻放大器 TIA(trans impedance amplifier), 属于高速运放的一种。


目前高速运放领域主要被 TI、ADI 等国外厂商占据,但国内激光雷达厂商表现出一些 自研的趋势,例如镭神智能与禾赛科技等公司都在自研 TIA。根据禾赛科技招股说明书, 其自研的 TIA 在通道数、功耗、展宽、通道隔离度方面都比 ADI 的产品占据优势。


TDC、ADC:TDC 适合低成本场景,ADC 支持更精密测量 

由于反射光以及光电探测器通常输出的都是模拟信号,往往需要将其转化成数字信号 才便于核心处理器进行处理及运行后续的算法。 

TDC(时间数字转换器)主要发挥计时器功能,通常用于低功耗、低成本、环境简单 的系统(如左下图 85),此时只 TDC 需要连接到主控芯片(通常 MCU 即可)和光接收器 之间,当主控芯片发出发光信号时,也同步给 TDC 一个开始计时的信号,随后反射回来 的光经过 TIA 转换成放大的电压,再经过比较器与参考电压比较,判断是否有光入射,TDC 则将比较器的输出当做结束信号,完成计时,并将时间信息送回主控芯片。 

ADC 通常用于更复杂的系统(如右下图 86),ADC 对反射光信号进行持续采样,转 换成数字信号,并由控制芯片进行波形处理、计时等工作。


目前高速 ADC 主要由国外厂商生产,但国产也有望在未来进行替代。根据禾赛科技 招股说明书,其自研的高速 ADC 芯片性能超越 TI 的同类产品,在采样率不变的前提下, 分辨率、功耗、信噪比都有改善,并且还内置了 PLL 锁相环。


FPGA:适应算法快速迭代,专用电路设计比 CPU 高效率 

FPGA 通常在激光雷达中充当主控芯片。为什么不采用 CPU 作为主控?因为激光雷 达需要进行大量的信号处理、电机时序控制等,CPU 虽然也能做,但如果采用专用的算法 以及为算法专门优化设计的电路,其效率会高得多。而作为汽车领域的新生事物,从 2007 年 Velodyne 激光雷达首次被用于 DARPA 挑战赛至今,其上车的历史也不过十五年,还 有许多硬件/算法设计尚处在探索阶段,因此采用 FPGA 有利于反复迭代修改,同时还满 足了专用电路的高效性。 

举例来说,仅仅反射波的波形处理就需要消耗大量算力,而且每一束反射光都需要进 行处理,使用 CPU 既难以满足算力需求,又浪费 CPU 的通用能力,因此往往需要专门的 电路进行处理。波形需要什么处理?实际中的情形比理论中复杂许多,虽然发射端发射的 是一个短促的脉冲,但由于光束的扩散,飞行过程中会遇到多个障碍物,产生多个反射波。如果是树木等物体,其反射波将更复杂(如右下图 88 所示,反射波是一长串连续波)。在此情况下,我们如何判断反射光的返回时间,如何判断反射率,都需要算法处理。


目前全球最主要的两大 FPGA 厂家是 AMD 收购的 Xilinx,Intel 收购的 Altera,还有 Lattice 等规模稍小的厂商。大疆 Livox HAP 采用的就是 Xilinx 的 FPGA。


国内紫光国微等公司具备 FPGA 生产能力,但产品性能与国际主流尚有一定差距。 


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