TOF激光雷達(dá)告別“技術(shù)路線之爭”

編輯 |?蘇清濤

兩三年前，在提起激光雷達(dá)時，很多人都會有一種“技術(shù)路線太多，我傻傻分不清哪個是哪個”的印象。暫不提離量產(chǎn)還有一段距離的FMCW激光雷達(dá)，僅以TOF激光雷達(dá)中的“半固態(tài)/固態(tài)”為例，按波長、集成度及掃描模塊都可以分為好多個類別。

?△（圖表由九章智駕整理于2021年8月份）

不過，根據(jù)各激光雷達(dá)廠商在今年1月CES及4月上海車展上釋放的消息看，半固態(tài)激光雷達(dá)（TOF）的技術(shù)路線正在快速收斂中。可以簡單總結(jié)為如下三點(diǎn)：

1.?MEMS正在被邊緣化，轉(zhuǎn)鏡式漸成行業(yè)共識；

2.?激光器的波長方面，多家原來主打1550 nm的，在新產(chǎn)品中開始轉(zhuǎn)向905 nm；

3.?集成度方面，高密度收發(fā)線列（芯片化）成為“眾望所歸”。

一、掃描方式的“大一統(tǒng)”：MEMS被邊緣化，轉(zhuǎn)鏡漸成行業(yè)共識

在半固態(tài)的三種掃描路線中，棱鏡式僅僅是“曇花一現(xiàn)”，在過去兩年，真正參與“爭天下”的實(shí)際上只有MEMS和轉(zhuǎn)鏡式兩類。由于兩種技術(shù)路線都有好多玩家采用，并且也都有機(jī)會拿到主機(jī)廠定點(diǎn)，因此，至少從表面上看，這兩種技術(shù)路線在當(dāng)年是“不分伯仲”。

不過，事情正在迅速變化。

2021年下半年，有激光雷達(dá)業(yè)內(nèi)人士向筆者透露，某在MEMS領(lǐng)域有深厚積累的德系Tier 1的激光雷達(dá)已放棄了堅(jiān)持很久的MEMS路線；在過去半年里，MEMS路線“鼻祖”Innoviz推出的新品Innoviz Two也放棄了MEMS路線。

Innoviz Two沒有公布掃描路線，但從點(diǎn)云圖案看，它的掃描方案應(yīng)該就是轉(zhuǎn)鏡式。

國內(nèi)公司中，探維的新品Duetto也不再走該公司之前一直堅(jiān)持的MEMS路線，而是改為轉(zhuǎn)鏡；另外，據(jù)某此前一直在死磕1550+MEMS路線的二線激光雷達(dá)公司的離職技術(shù)人員透露，該公司在后續(xù)的產(chǎn)品規(guī)劃中也放棄了MEMS，改做轉(zhuǎn)鏡。

其實(shí)，在過去的兩三年里，采用MEMS掃描方案的激光雷達(dá)能否過車規(guī)、是否適合批量化生產(chǎn)，一直是存在爭議的。概括起來，“反方”觀點(diǎn)主要有如下幾點(diǎn)——

1.點(diǎn)云規(guī)整度差

“點(diǎn)云規(guī)整”的定義是點(diǎn)云的排列橫平豎直，點(diǎn)與點(diǎn)之間的角度分辨率基本一致 + 空間相鄰點(diǎn)的時間戳也相鄰，好處是運(yùn)動畸變更有規(guī)律，更有利于算法補(bǔ)償。MEMS單一激光器的視場角很小，總視場需要幾個激光器拼接而成，拼接處的規(guī)整度會受到影響；同時由于微振鏡的諧振運(yùn)動，很難做到精確的“矩陣式”定位，且車輛行駛中的運(yùn)動會加大振鏡的運(yùn)動控制誤差，從而進(jìn)一步影響規(guī)整度。

2.激光器數(shù)量少，單個失效后果更嚴(yán)重

由于MEMS方案可以通過微振鏡在二維方向上的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)線束的快速掃描，其等效線束能夠輕易突破“100線”甚至是“200線”，因此，MEMS需要的激光器數(shù)量往往比一維轉(zhuǎn)鏡（有多少線，就有多少個激光器）激光雷達(dá)要少很多。

激光器的數(shù)量越多，單個激光器失效時產(chǎn)生的影響也就越小。而對于MEMS激光雷達(dá)，一個激光器失效，即意味著一大片視場的缺失（對于轉(zhuǎn)鏡掃描的激光雷達(dá)而言，一個激光發(fā)射器的缺失只會使這條線探測到目標(biāo)上的點(diǎn)云數(shù)減少，但不會完全致使大片視場區(qū)域的完全失效）。

3.激光器的工作強(qiáng)度過大，導(dǎo)致壽命縮短

車企們在選擇激光雷達(dá)時特別看重點(diǎn)云密度，有的車企甚至提出按點(diǎn)云密度來算應(yīng)該付多少錢。影響點(diǎn)云密度最關(guān)鍵因素是“點(diǎn)頻”（激光的發(fā)射頻率），即激光雷達(dá)在一秒鐘內(nèi)發(fā)射了多少束激光。為了達(dá)到同樣的點(diǎn)頻數(shù)，MEMS由于激光器數(shù)量少，單個激光器不得不拼命提高點(diǎn)頻，高強(qiáng)度的點(diǎn)頻輸出使得激光器的壽命受到影響。

之前，某激光雷達(dá)公司產(chǎn)品經(jīng)理在接受九章采訪時曾做了個形象的類比：“你有六頭牛，正常情況下每天可以產(chǎn)10公斤奶?，F(xiàn)在為了沖業(yè)績，讓每頭牛每天擠20公斤奶，這樣看似整體產(chǎn)奶量得到了立竿見影的提升，但實(shí)際上每頭牛的負(fù)載很大，大概率導(dǎo)致奶牛提前‘退休’?！?/p>

我們計(jì)算了三家激光雷達(dá)公司的單激光器負(fù)載，得到下面的圖，可以看出激光器數(shù)量最少的單個負(fù)載是數(shù)量最多的的近百倍。

4.受振鏡尺寸限制，性能和可靠性難以兼得

為降低系統(tǒng)復(fù)雜度，目前市面上的硅基MEMS激光雷達(dá)都采用結(jié)構(gòu)緊湊的同軸方案。同軸掃描方案的特點(diǎn)是光發(fā)射通道與光接收通道共用一個對外的鏡片，激光束經(jīng)過一面穿孔的反射鏡，入射到振鏡的鏡面上。此方案的測距能力MEMS微振鏡的鏡面尺寸成正比，視場角與振鏡的運(yùn)動幅度成正比，也就是說，為了提高整體性能，不僅要求MEMS微振鏡的鏡面尺寸盡可能大，而且需要保證振幅不能太小。

但大尺寸的MEMS振鏡會嚴(yán)重影響整體可靠性。大尺寸振鏡對驅(qū)動其振動的快軸、慢軸的負(fù)擔(dān)也更大。MEMS的懸臂梁結(jié)構(gòu)非常脆弱，這兩對扭桿中，又細(xì)又長的為慢軸，又短又粗的為快軸，兩者同時對微振鏡進(jìn)行反向扭動，外界的振動或者沖擊極易直接致其斷裂。

也就是說，硅基MEMS振鏡尺寸越大，就越難以滿足車規(guī)的DV、PV對可靠性、穩(wěn)定性、沖擊、跌落的測試要求。目前市場上主流MEMS激光雷達(dá)的探測距離可以達(dá)到150米@10%，但很難再往上提升了，原因正在于此。也就是說，MEMS路線的迭代空間很容易受到限制。

兩年前，筆者從某激光雷達(dá)公司產(chǎn)品經(jīng)理聽到這樣一段話：“當(dāng)前，MEMS振鏡的尺寸能做到5mm已經(jīng)是到極限了，也有個別供應(yīng)商做到了7mm的demo，但中科院一個做MEMS的老師說‘圈子里做MEMS的公司他全部都認(rèn)識，他不相信目前有誰的7mm MEMS能量產(chǎn)’?！?/p>

今年2月，筆者聽投資機(jī)構(gòu)的朋友說上海有一家激光雷達(dá)上游創(chuàng)業(yè)公司做出了“直徑在8mm以上的大尺寸MEMS，已經(jīng)開始送樣”“如果能用的話，可能會成為MEMS跟轉(zhuǎn)鏡兩條技術(shù)路線決戰(zhàn)的分水嶺”，不過，筆者在最近向其送樣客戶做調(diào)研后得到的反饋是：不如轉(zhuǎn)鏡和棱鏡。

MEMS“大尺寸化”嘗試的折戟，反映出這條技術(shù)路線突破天花板的難度之大。接下來，會不會有其他做MEMS激光雷達(dá)的公司也推出轉(zhuǎn)鏡方案呢？我們拭目以待。

在多家走M(jìn)EMS掃描路線的公司紛紛推出轉(zhuǎn)鏡方案的同時，北醒的最新產(chǎn)品AD2普通款、鐳神的最新產(chǎn)品CX128S1、萬集的最新產(chǎn)品WLR-739也都是轉(zhuǎn)鏡式。此外，法雷奧、Luminar、圖達(dá)通和華為一直在堅(jiān)持轉(zhuǎn)鏡路線，而Livox近兩年也在新一代產(chǎn)品上切換至轉(zhuǎn)鏡路線。

轉(zhuǎn)鏡路線又分為一維轉(zhuǎn)鏡和二維轉(zhuǎn)鏡。在走轉(zhuǎn)鏡路線的玩家中，法雷奧、禾賽、華為等采用了一維轉(zhuǎn)鏡，Luminar、圖達(dá)通采用了二維轉(zhuǎn)鏡，其他幾家的情況我們暫不清楚。

兩者的區(qū)別是：一維轉(zhuǎn)鏡通過旋轉(zhuǎn)的多面體反射鏡，將激光反射到不同的方向；二維轉(zhuǎn)鏡顧名思義內(nèi)部集成了兩個轉(zhuǎn)鏡，一個多邊棱鏡負(fù)責(zé)橫向旋轉(zhuǎn)，一個負(fù)責(zé)縱向翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)一束激光包攬橫縱雙向掃描。

理論上，一維轉(zhuǎn)鏡和二維轉(zhuǎn)鏡都是可以達(dá)到車規(guī)級量產(chǎn)水平的方案。具體到兩個技術(shù)方案，一般來說，集成的激光器越多，需要的掃描方式就越簡單，即多激光器+一維掃描，少激光器+二維掃描。

一維轉(zhuǎn)鏡由于只有水平方向在做機(jī)械運(yùn)動，并且轉(zhuǎn)速更慢，因此可靠性更高一些；二維轉(zhuǎn)鏡是水平、垂直兩個方向都有鏡子在做機(jī)械運(yùn)動，轉(zhuǎn)速更快，因此在做好動平衡、NVH、壽命和成本之間的協(xié)調(diào)會難度更大一點(diǎn)，但它的好處是激光器數(shù)量減少，在不采用更昂貴的激光器的情況下，有可能將成本做得更低。

一維轉(zhuǎn)鏡有個明顯的特征是“要做到多少線，就需要多少個激光器”，這是一把雙刃劍：前幾年，由于激光發(fā)射端的集成度很不高，如果線數(shù)過高，有很多個激光器組成的系統(tǒng)的復(fù)雜度就過高，因此，早期的一維轉(zhuǎn)鏡線數(shù)都做不高。在這種情況下，為了將線數(shù)做高，不少廠商都選擇了二維轉(zhuǎn)鏡方案。

但隨著芯片化方案的成熟，發(fā)射端集成度的提高有了可能。2021年，禾賽率先做到了垂直方向上128線的集成，隨后，有很多廠商也開始在高線數(shù)激光雷達(dá)上嘗試采用一維轉(zhuǎn)鏡方案。

二、激光器波段的“大一統(tǒng)”：905逐漸成為共識

在掃描路線收斂的同時，激光器波段也在收斂。在本次上海車展上，還有一個有意思的現(xiàn)象是：之前一直專注于1550的圖達(dá)通和鐳神均推出了905nm的前視主激光雷達(dá)（產(chǎn)品分別為Robin-E和CX128S1)。

另據(jù)九章智駕了解，某原本死磕MEMS+1550的二線激光雷達(dá)廠商在下一代產(chǎn)品將掃描方案由MEMS改為轉(zhuǎn)鏡的同時，激光器的波段也從1550轉(zhuǎn)向了905。

這三家以1550起家的激光雷達(dá)廠商紛紛擁抱905，似乎是在客觀上回應(yīng)了筆者于去年8月份發(fā)布的《激光雷達(dá)：905與1550的戰(zhàn)爭》一文中的觀點(diǎn)。

筆者寫《激光雷達(dá)：905與1550的戰(zhàn)爭》這篇文章的緣起是，去年4月份，筆者偶然在禾賽技術(shù)負(fù)責(zé)人在微信朋友圈看見如下一段話：

最終讓我們放棄1550的原因是通過對未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的研判，我們認(rèn)為幾年后，1550即使在性能上也會輸給905，而且一旦905性能超越了1550后，之后的差距會被越拉越大。之后我們將幾乎所有的研發(fā)資源投入了硅基路線，專注于905nm激光雷達(dá)的上游核心零部件及芯片的開發(fā)。

?△圖中數(shù)據(jù)來源于某905 nm激光雷達(dá)廠商

出于好奇，筆者帶著拿著這段話跟激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)里的將近20個人聊了一波，并一步步挖掘出了“幾年后，1550即使在性能上也會輸給905，而且一旦905性能超越了1550后，之后的差距會被越拉越大”的原因。在此摘要如下：

?當(dāng)時，這篇文章在行業(yè)里引起了巨大反響。

這次上海車展期間，某中小激光雷達(dá)公司CEO在跟筆者交流時還提起這篇文章，表示認(rèn)同文中的分析思路及觀點(diǎn)。這家激光雷達(dá)既做905又做1550（賣給汽車行業(yè)客戶的是905產(chǎn)品，賣給高鐵、地鐵等行業(yè)客戶的是1550產(chǎn)品），因而沒有理由“站隊(duì)”。

與905相比，1550最為人稱道的優(yōu)勢在于其探測距離。而在車展前夕，禾賽發(fā)布了905nm的艙內(nèi)激光雷達(dá)ET25,這款激光雷達(dá)的探測距離為250米@10%，跟主流的1550激光雷達(dá)已沒有差距。

據(jù)禾賽解釋，能夠做到尺寸如此超薄、同時性能又更上一層樓，這得益于禾賽新一代的自研收發(fā)芯片，其激光收發(fā)模塊使 ET25 接收芯片靈敏度有數(shù)倍的提升。

李一帆稱，ET25在行業(yè)里具有轉(zhuǎn)折性的里程碑意義?！皻v史上我們用905納米的激光雷達(dá)，大家最主要的批評意見認(rèn)為是‘測距不行’。今天大家可以看到，905nm激光雷達(dá)的探測距離也可以做到250米，因此，關(guān)于‘905nm測距不行’這個話題，到今天就可以結(jié)束了?！?/p>

ET25的推出，從實(shí)踐層面上印證了禾賽技術(shù)負(fù)責(zé)人去年4月份在微信朋友圈發(fā)的那段話的背后存在“知行合一”。

三．收發(fā)端結(jié)構(gòu)/集成度的“大一統(tǒng)”：高密度收發(fā)線列或面陣

在2021年8月份的《什么是激光雷達(dá)的“發(fā)動機(jī)技術(shù)”？一文講透行業(yè)技術(shù)壁壘》一文中，九章特別提到，對激光雷達(dá)來說，選擇什么掃描方式只是“表象”，真正的“發(fā)動機(jī)技術(shù)”在于激光收發(fā)技術(shù)，也就是芯片化能力。

在激光收發(fā)技術(shù)中，用什么波段，主要是一道“選擇題”；而如何通過芯片化來提高收發(fā)系統(tǒng)的集成度，進(jìn)而提升整機(jī)的性能、可靠性，降低成本及制造難度，達(dá)到車企能夠認(rèn)可的“黃金平衡點(diǎn)”，就是一系列更復(fù)雜的“問答題”了。

2020年，禾賽在國內(nèi)同行中率先公開提出將激光雷達(dá)的收發(fā)端芯片化，而如今，芯片化已成為行業(yè)共識。

收發(fā)端的芯片化，有向供應(yīng)商采購和自研兩條道路，禾賽選擇了自研。禾賽CEO李一帆認(rèn)為，從蘋果和特斯拉的例子來看，自研的芯片與自家產(chǎn)品適配度更高，迭代更快。

禾賽公開的信息顯示，不同模塊的芯片化是分階段來進(jìn)行的。

在V1.0階段（2020年下半年），率先實(shí)現(xiàn)芯片化的是XT系列，禾賽將EEL激光發(fā)射器和APD探測器的驅(qū)動模塊（即多通道激光驅(qū)動芯片，多通道模擬前端芯片、高速ADC芯片）集成至芯片中；

在V2.0階段（從2022年開始量產(chǎn)的AT128開始），激光器從 EEL 升級為 VCSEL，探測器演進(jìn)為 SiPM 單光子探測器。這個階段自研的芯片為適配 VCSEL 的多通道驅(qū)動芯片、適配 SiPM 的多通道模擬前端芯片以及高速ADC 芯片。

在V3.0階段（純固態(tài)FT120即將搭載）和V4.0階段則采用集成度更高、通道數(shù)更多的探測器面陣芯片。

在芯片化之后，激光雷達(dá)就可以享受到摩爾定律的紅利，性能快速提升、成本快速下降。一個可參照的事實(shí)是：在過去20年里，芯片化的設(shè)計(jì)使手機(jī)攝像頭的分辨率每兩年就翻一翻。也就是說消費(fèi)者用同樣的價格，買到了比原來性能高200倍的攝像頭。

“以AT128為例，芯片化使收發(fā)模組在激光雷達(dá)總成本中的占比從多少降到多少？”在4月份的車展前夕，筆者向禾賽技術(shù)負(fù)責(zé)人拋出上述問題。

禾賽技術(shù)負(fù)責(zé)人的回答是：如果還是按之前的分立系統(tǒng)來做的話，激光雷達(dá)光是收發(fā)通道成本就得幾千美元，而如今的激光雷達(dá)單線收發(fā)成本僅有原來的1/20。

未來，禾賽還打算通過芯片化技術(shù)構(gòu)建激光雷達(dá)產(chǎn)品的核心架構(gòu)，構(gòu)建技術(shù)中臺，讓服務(wù)于不同市場的產(chǎn)品線共用一套架構(gòu)。共用架構(gòu)會使得不同產(chǎn)品的物料和生產(chǎn)線盡量保持一致，通過規(guī)?；?yīng)降低物料采購成本。

芯片化的架構(gòu)同時有助于自動化產(chǎn)線的建設(shè)，將手工的精準(zhǔn)裝調(diào)轉(zhuǎn)化為由半導(dǎo)體設(shè)備保障精度，且保持不同產(chǎn)品的自動化產(chǎn)線間的一致性，進(jìn)而降低自動化產(chǎn)線的開發(fā)難度和生產(chǎn)成本。

實(shí)際上這也是所有激光雷達(dá)公司今后都要走的路，只不過各家的進(jìn)展會有差異而已。

結(jié)語：在“技術(shù)路線之爭”面前保持定力

上圖中的產(chǎn)品，除禾賽AT128外，均是近半年內(nèi)推出的、尚未開始量產(chǎn)。從參數(shù)上來看，180-200米的測距，150萬/秒上下的點(diǎn)頻，120° × 25° 左右的FOV，均與禾賽AT128非常接近。

很顯然，AT128隨著理想L系列車型的熱銷一舉成為“車載激光雷達(dá)爆款產(chǎn)品”已是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的事實(shí)?？梢哉f，禾賽率先成功定義了第一批遠(yuǎn)距ADAS激光雷達(dá)產(chǎn)品，它的成功量產(chǎn)上車是里程碑式的，引得其他廠商紛紛效仿。

禾賽能成為行業(yè)的引領(lǐng)者，并不是偶然的。

在梳理了激光雷達(dá)過去幾年的一系列技術(shù)路線之爭之后，筆者發(fā)現(xiàn)，總體而言，禾賽在技術(shù)路線的選擇上是“以終為始”，沒有走過太多彎路。

當(dāng)大家都在爭論轉(zhuǎn)鏡、棱鏡和MEMS哪種掃描路線“更好”時，禾賽在短暫嘗試過MEMS后發(fā)現(xiàn)“不合適”，果斷放棄，然后是，在2023年，我們看到，MEMS路線開始被邊緣化。

當(dāng)1550“更長的探測距離”令很多人心動的時候，禾賽在做過一段預(yù)研后認(rèn)為“長期來看，905更有潛力”，于是all in 905，然后，在2023年，我們看到，諸多原先專注于1550的廠商紛紛推出了905產(chǎn)品。

芯片化，更能體現(xiàn)出禾賽對技術(shù)趨勢理解的前瞻性。直到2020-2021年，筆者在跟一些國內(nèi)的激光雷達(dá)廠商的人聊起芯片化時，大家還語焉不詳，而禾賽早在2017年就成了了芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。

不過，肯定還有人會好奇這樣一個問題：禾賽現(xiàn)在的重心都在TOF激光雷達(dá)上，如果未來FMCW激光雷達(dá)成熟了，禾賽會不會就會掉隊(duì)？

首先，與TOF激光雷達(dá)相比，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)固然有不少優(yōu)勢，但它能否“干掉”TOF，是存在很大爭議的——詳情請參考九章智駕在2021年10月份發(fā)布的《FMCW激光雷達(dá)科普（下）：主要挑戰(zhàn)、前景及市場格局》。

其次，禾賽在FMCW上也有技術(shù)儲備（詳見禾賽招股書）。

還有，即便是FMCW激光雷達(dá)會成為主流，主機(jī)廠在選量產(chǎn)項(xiàng)目供應(yīng)商時，也會更傾向于選擇量產(chǎn)交付經(jīng)驗(yàn)足、工程化能力強(qiáng)的供應(yīng)商。

參考資料：

1、技術(shù)科普：為什么硅基MEMS激光雷達(dá)無法用作汽車主雷達(dá)

2、激光雷達(dá)：905與1550的戰(zhàn)爭?