來源：內容轉載自公眾號「汽車之心」，本文作者：周彥武，業內資深專家，汽車之心特約作者，謝謝。
Velodyne、Luminar 兩家先後登陸美股，Innoviz、Aeva 和 Ouster 三家正在路上。這五大雷射雷達公司，目前最高的 Luminar 市值超百億美元，最低 Innoviz 估值也達到 14 億美元。這些公司在資本市場受到熱捧背後，是各大車企紛紛選在量產車上搭載雷射雷達。本田和豐田已確定在其L3級自動駕駛車型上使用雷射雷達；奔馳、沃爾沃、寶馬、蔚來和小鵬等廠家也準備在2021年的量產車上選用雷射雷。本文將對五大雷射雷達的技術路線進行分析，帶大家一起看看炙手可熱的 LiDAR 炸子雞們走向何方。
值得注意的是，Velodyne、Luminar、Innoviz、Aeva 和 Ouster ，這 5 家公司在針對前裝車載市場的主力產品上，都放棄了傳統的軸承電機機械旋轉方案。
這與國內目前華為、速騰、禾賽、鐳神、一徑等幾家的主力產品有所不同。在分析各個企業前，我們先對雷射雷達性能評價的術語進行簡單介紹。雷射雷達按照測距原理分為
脈衝 ToF 型和
連續波型。我們常見的產品多為脈衝 ToF 型，在硬體上由四部分構成，分別是：連續波型的雷射雷達又分相位調變和頻率調變兩種，其中頻率調變即 FMCW 比較常見。
EEL 型雷射二極體，通常有 905 納米和 1550 納米兩種，材料則包括矽、GaAs （砷化鎵）、InP（磷化銦）三種。雷射雷達作為一種傳感器，其最核心的指標是
信噪比。不過這也是雷射雷達企業從不公開的指標。
Velodyne 從 2015 年開始研發固態雷射雷達，2017 年發布 Velarray，2020 初基本完成設計。
同年被現代汽車 Design-in，據說目前廣汽也在測試 Velarray。Velodyne 在雷射雷達領域耕耘時間最長，也累積了很多機械雷射雷達的研發成果。此前，Velodyne 稱 Velarray 上的核心技術並不是 MEMS。在 Velarray 上，Velodyne 史昂將機械雷射雷達縮微，縮微後就可以採取共振掃描的方式，仍然採用多個雷射發射器，因此確實不是 MEMS。第一種為
稜鏡，缺點是會引入不必要的尺寸增加，存在軸承或襯套的磨損，隨時間推移影響壽命；優點是線數可以做到很高。典型代表是
華為。第二種為
旋轉鏡，缺點是無法充分利用時域，有一定的體積浪費，線數低，難以做到高性能；優點是，壽命長，可靠度高。典型代表是
法雷奧 Scala。第三種為
MEMS 振鏡，缺點是 FOV 受限制、可靠度存疑、信噪比低、有效距離短。優點是成本低。Velodyne 開發了
Resonant Mirror（共振鏡）技術。
這項技術與 MEMS 振鏡一字之差，實際差異不小。共振掃描沒有上述三種掃瞄鏡的缺點，但需要將雷射雷達縮微，且需要配合凹面鏡成圓弧狀，再有就是成本會增加不少。
Velodyne 申請了 Resonant Mirror（共振鏡）的專利。專利如上圖，其中的 163 和 164 是核心。在光通訊領域，光學共振是基本元素，光學共振腔是雷射放大器組成的三元素之一，可以依照反射面的存在與否分為開腔與閉腔兩種。共振腔的作用主要是用來讓增益介質實現了布居數反轉後，可以做為光放大器（Gain amplifier），透過共振腔可收集放大後之訊號，形成一震蕩器(oscillator)。
由兩個平行平面反射鏡組成，光學上稱為法布裡-博羅光共振腔（Fabry–Perot resonator），簡稱為 F-P 腔，多用於固態雷射系統。
由兩個凹面反射鏡組成，其中一種個特殊而常用的形式是共焦腔（confocal），由兩個曲率半徑相同的凹面反射鏡組成，且兩鏡間距離等於曲率半徑，兩鏡面與焦點重合，共焦腔衍射損耗小，調整容易。
由一個平面反射鏡和一個凹面反射鏡組成，其中一種特殊而常用的形式是半共焦腔，相當於共焦腔的一半。從 Velodyne 的專利看，MLA 陣列有輕微的弧度，應該是配合凹面反射鏡的。Velodyne 新上任的 CTO Mathew Rekow 源自光通訊領域，對共振腔非常熟悉。Velarray 的主要研發工作就是由 Mathew Rekow 負責。
他的一項工作就是將雷射雷達縮微並模塊化，以此提高 Velarray 的量產效率，降低成本。而這項工作的難點，在於縮微模塊的同時還要保證高性能，特別是雷射二極體發射需要比較大的電流，傳統功率器件達不到要求。為了解決這個問題，Velodyne 在 2016 年與
EPC 公司開始合作。EPC 擅長 GaN 功率器件技術，GaN 是一種寬帶隙半導體材料，用這種材料製造的場效應電晶體比傳統電晶體開關速度提高 10 倍以上。Velarray 就使用了 GaN 場效應管，也就是 Velodyne 所說的定製 ASIC。
它體積極小，僅有 2 到 4 平方毫米。在體積縮小的同時，其性能也有所提升。雷射雷達裡有個簡單的公式，雷射雷達的 Z 軸解析度取決於脈衝寬度。使用了 GaN 場效應管 ASIC 的 Velarray 脈衝寬度可達 5 納秒，這是除 SPAD 外最高的性能ASIC 晶片。大部分固態雷射雷達一般是 50-150 納秒，SPAD 可以輕易做到1納秒甚至幾十皮秒。目前 Velarray 主要產品是 8 通道模塊，高性能產品可以用 4 到 16 個模塊，低性能只需要 1 個模塊。 要提高雷射雷達性能最簡單有效的辦法，就是提高雷射發射功率。905 納米的矽光電探測器，
1550 納米的 InGaAs 要安全 10 萬倍，可以放心地加大雷射器的功率。Luminar 就是以使用 1550 納米的 InGaAs 為特色。
其使用的雷射器功率是傳統矽光電系統的 40 倍，不僅信噪比高，減小脈衝寬度至 20 納秒以下，脈衝重複頻率低於 100MHz，佔空比低於 1%；同時這也提升了有效距離。在雨雪霧天，物體的反射率會降低，這導致雷射雷達的有效探測距離縮短，不過加大功率，就可以解決這個問題。 Luminar 就是這麼做的。
即使 10% 反射率的物體，其產品的有效探測距離也可以做到 200 米。其專利是用二級大模場摻鉺光纖（EDFA）放大器將一個種子源雷射調製為一個脈衝寬度至 20 納秒以下，脈衝重複頻率低於 100MHz，佔空比低於 1% 的脈衝雷射系統。Luminar 的專利核心一個種子源雷射，另一個是摻餌光纖放大器。在掃描器方面，Luminar 沒有太多創新，還是沿用了傳統的 MEMS 雙軸振鏡掃描。一般來說，傳統 MEMS 雷射雷達信噪比都低，但 Luminar 的功率密度驚人，完全消除了這個缺點。由於引入了光纖雷射器，Luminar 雷射雷達的體積略大。另外，1550 納米 InGaAs 雷射器的使用也讓其產品成本居高不下。雖然 Luminar 一再強調自己有能力降低成本，但光纖雷射器已經用了超過 20 年，早已沒有性能挖掘潛力了。因而行業對 Luminar 的成本控制能力，一直存疑。
（3） Innoviz：MEMS 路線帶來最低成本
首先，MEMS 微振鏡幫助雷射雷達擺脫了笨重的馬達、多稜鏡等機械運動裝置，毫米級尺寸的微振鏡大大減少了雷射雷達的尺寸，提高了可靠性。英飛凌收購的 Innoluce MEMS 雷射雷達示意圖其次是成本，MEMS 微振鏡的引入可以減少雷射器和探測器數量，極大地降低成本。傳統的機械式雷射雷達要實現多少線束，就需要對應的發射模塊與接收模塊數量。
而採用二維 MEMS 微振鏡，僅需要一束雷射光源，通過一面 MEMS 微振鏡來反射雷射器的光束。
兩者採用微秒級的頻率協同工作，通過探測器接收後達到對目標物體進行 3D 掃描的目的。與多組發射/接收晶片組的機械式雷射雷達結構相比，MEMS 雷射雷達對雷射器和探測器的數量需求明顯減少。從成本角度分析，N 線機械式雷射雷達需要 N 組 IC 晶片組：
如果採用進口的雷射器（典型的如 Excelitas 的 LD）和探測器（典型的如濱松的 PD），1K 數量下每線雷射雷達的成本大約
200 美元，國產如常用的長春光機所雷射器價格能低一些。最後是解析度，MEMS 振鏡可以精確控制偏轉角度，而不像機械雷射雷達那樣只能調整馬達轉速。
Velarray 每秒單次回波點達 200 萬個。
而 Velodyne 的 128 線雷射雷達也不過 240 萬個，Velarray 幾乎相當於 106 線機械雷射雷達。缺點就是信噪比低，和有效距離短，及 FOV 太窄。因為 MEMS 只用一組發射雷射和接收裝置，那麼信號光功率必定遠低於機械雷射雷達。同時 MEMS 雷射雷達接收端的收光孔徑非常小，遠小於機械雷射雷達，而光接收峰值功率與接收器孔徑面積成正比，這導致功率進一步下降。掃描系統解析度由鏡面尺寸與最大偏轉角度的乘積共同決定。
目前MEMS振鏡最大尺寸是 Mirrorcle，可達 7.5mm，售價高達
1199 美元。速騰投資希景科技開發的 MEMS 微振鏡鏡面直徑為 5mm，已經進入量產階段。禾賽科技 PandarGT 3.0 中用到的 MEMS 微振鏡，則是由團隊自研。一是使用 1550 納米發射波長的雷射器，用光纖領域的摻鉺放大器進一步提升功率。
1550 納米波段的雷射，其人眼安全閾值遠高於 905 納米雷射。因此在安全範圍內可以大幅度提高 1550 納米光纖雷射器的功率。典型例子就是 Luminar。
且這是雷射器產業的範疇，雷射雷達廠家在這方面技術積累遠不及雷射器產業廠家，想壓低成本幾乎不可能。二 是使用 SPAD 或 SiPM 接收陣列，而不是傳統 APD 陣列，SPAD 陣列效率比 APD 高大約 10 萬倍。但 SPAD 陣列目前還不算特別成熟，價格也略高。
雷射雷達、傳統攝像頭和毫米波雷達有共通之處，傳統 ToF 雷射雷達可以看作一種 3D 攝像頭，只不過解析度一般很低。
雷射也可以看做一種電磁波，與毫米波雷達也非常接近。
早期汽車上也是採用電磁波直接發射反射的方式來測定距離，後來發現這種方式信噪比低，消耗功率高，如同現在的 ToF 雷射雷達。後來發現
連續波頻率調製相干檢測（FMCW），信噪比高且消耗功率低，但信號處理運算量大。
隨著當下晶片算力的提高，這個困難慢慢被克服，今天電磁波雷達都是FMCW型的。此外，早期的電磁波雷達也是電機帶動掃描的，後來才轉換為印刷平面天線陣列代替機械掃描。人們從車載雷達的發展歷程中似乎可以得出結論，雷射雷達最終也會是 FMCW 的，也是用陣列代替掃描器的。一是太陽光線的影響，這個對 1550 納米雷射比較敏感，905 納米就好得多。二是物體的表面材料與顏色也會影響，不同顏色不同材料對雷射的吸收率是不同的，比如白色和黑色反射率差異巨大，反射率與有效距離關係密切。反射率越低，有效距離越短。一般測量雷射雷達有效距離都需要加上反射率 90% 這個測試條件；如果反射率 10%，極端情況下，有效距離可能縮短 50%。FMCW 雷射雷達採用相位幹涉拍頻法測量，這些噪音都不存在了。對於 FMCW 雷射雷達，信噪比與發射光子總數成比例，而非峰值雷射功率。由於 FMCW 雷射雷達具有高出 10 倍以上的靈敏度，因此其發射平均功率可以比脈衝 ToF 雷射雷達低 100 倍，這意味著低功耗和更高的人眼安全水平。FMCW 雷射雷達的光子電路將一部分出射相干雷射與接收光混合。這提供了一種獨特的「解鎖鑰匙」，可以有效阻止任何環境輻射或其它雷射雷達的幹擾。FMCW 雷射雷達的光源需要根據測量目的對光載波的頻率進行不同形式的調製，目前常用的包括三角波形式、鋸齒波形式和正弦形式。發射信號的頻率圍繞著光載波頻率 fc隨時間 t 周期性變化，每一周期 T 稱為信號重複時間，頻率的變化範圍（f1-f2）稱為調製帶寬 B。使用三角波形狀的調頻形式可以較為容易地解調出目標反射信號的都卜勒頻率，從而可實現同時測距與測速。鋸齒波形狀的調頻形式常用於與探測目標的相對速度引入的都卜勒頻移量可以忽略的時候，可以達到相對最大的探測距離。正弦形狀調頻信號的產生較為方便，但是解調方式複雜，且其精度相對於高調頻線性度的調製形式略差。 一般使用三角波，能夠像 FMCW 毫米波雷達一樣測得目標的速度。今天的 FMCW 毫米波雷達非常簡單，主要晶片就是收發器和處理器，其帶來的好處是易於集成晶片化。這同時意味著小體積和成本低。然而 FMCW 毫米波雷達的成熟歷經了近 10 年的時間。
今天的 FMCW 雷射雷達技術可以說成熟度很低，無論是雷射調製、接收和數據處理都處於萌芽階段，遠不能和ToF雷射雷達比。特別是雷射調製，難度極高，從事相關研究的企業屈指可數。
根據調諧器件與雷射器的關係，目前實現雷射光載波頻率調製的方法可以分為內調製技術和外調製技術兩種。
內調製技術是指調製過程與雷射振蕩建立同時進行的調製技術，通過調製改變雷射腔的諧振參數，從而實現雷射器輸出頻率的變化，主要包括調製諧振腔的光學長度或改變腔內的增益損耗譜位置等方式；
外調製技術是指在雷射振蕩建立之後，在雷射出射的光路上使用調製器對光場參數進行調製的技術。調諧性好的光源大多不夠穩定，穩定的光源大多不能寬可調諧。從調製方式的角度而言，內調製方式由於直接改變諧振腔參數，獲得大調諧範圍相對容易，但是由於雷射建立時間的存在會造成輸出調頻光的瞬時線寬比較寬，導致光源相干長度的減少。或者為了建立起穩定光場就必須限制調諧速率。外調製方式通過電光效應等調諧機制能夠在保持種子光的優異特性的同時快速改變光場的瞬時頻率，但是由於電光效應本身的工作帶寬有限，限制了光源調諧範圍的增加，即限制了該系統可實現的最高分辨力。目前業內傾向於外調製方式，這種方式缺點是成本高、體積大。FMCW 的缺點是成本高，其所有元件都需要具備超高精度，因為調諧頻率是 THz 級別的，這需要測量儀器級的元件。這種元件供應商極少，每個元件都需要高精度檢測，良率低。
即使將來量產，成本也居高不下。所有光學表面都必須在更嚴格的公差範圍內，例如λ（波長）/20。FMCW 對 ADC 轉換速率的要求是 ToF 系統的 2 到 4 倍，精度要求更高。對 FPGA 的要求是能夠接收數據並進行超高速FFT轉換。
即使使用 ASIC，FMCW 系統所需的處理系統複雜度（和成本）也是 ToF 系統的十倍。除了成本，FMCW 雖然沒有了外界因素的幹擾，但自身會帶來新的幹擾。
和毫米波雷達一樣，FMCW 雷射雷達需要考慮
旁瓣的幹擾，FMCW 系統依靠基於窗函數的旁瓣抑制來解決自幹擾（雜波），該幹擾遠不如沒有旁瓣的 ToF 系統健壯。為了提供背景信息，一束 10 微秒的 FMCW 脈衝可以在 1.5 公裡範圍內徑向傳播。在此範圍內，任何對象都將陷入快速傅立葉變換（時間）旁瓣。即使是更短的 1 微秒 FMCW 脈衝也可能會被 150 米外的高強度雜波破壞。第一個矩形窗口快速傅立葉變換（FFT）的旁瓣是大家所知的 -13dB，遠高於獲得優質點雲所需要的水平。此外，FMCW 雷射雷達有輕微延遲的問題，這是相干檢測天生的缺陷，無法改變。
採用 FMCW 雷射雷達其他公司還有，通用 2017 年收購的 Strobe，這家公司自被收購後一直沒有任何動作。
再有就是 BMW i Venture 投資的 Blackmore，2019 年被 Aurora 收購。嚴格意義上的 Flash 雷射雷達指一次閃光（雷射脈衝）成像的雷射雷達。
廣義的 Flash 雷射雷達指焦平面陣列成像雷射雷達，不一定非要全局快門，也可以局部快門。全局快門型雷射雷達產品的典型代表是德國大陸汽車 2016 年收購的
ASC 公司。與掃描成像雷射雷達比，Flash 雷射雷達沒有任何運動部件，是絕對的固態雷射雷達，能夠達到最高等級的車規要求。掃描成像要掃描整個工作場才能提供圖像（點雲），通常幀率是 5-10Hz。
這就意味著有至少 100 毫秒的延遲，在高速場景下，這個延遲是難以接受的。如果掃描型雷射雷達要提高幀率，那麼就必須降低水平角解析度，這兩者是相悖的。
但 Flash 不會，理論上它的脈衝只有幾十納秒到1納秒，也就是說幀率可以做到幾十 KHz，甚至 1MHz。當然，考慮數據處理能力，現在的 Flash 雷射雷達還是3 0Hz，但它可以說是無延遲的。德國大陸汽車的 HFL110 Flash 雷射雷達雖然豐田投資了 Luminar，但依然使用了德國大陸汽車的雷射雷達。
功率密度太低，導致其有效距離一般難以超過 50 米，解析度也比較低，用大功率 VCSEL 和 SPAD 能夠解決部分問題，但成本也迅速增加。德國大陸汽車在性能和成本間平衡，其成本估計應該不超過
300 美元，量產後還可以再降大約 100 美元。為了解決信噪比，有效距離近的缺點，有公司對 Flash 雷射雷達做了改進。改進型的設計採用 VCSEL 雷射發射陣列，VCSEL 雷射發射陣列採用半導體工藝晶片工藝製造，每一個小單元的電流導通都可以控制，讓發光單元按一定模式導通點亮，可以取得掃描器的效果，還可以精確控制掃描形狀。
而Ouster 認為是 Flash 雷射雷達，只不過前面加了個
Multi-Segment。Ibeo 在雷射雷達領域耕耘超過 20 年，其 Flash 雷射雷達性能非常優秀。除了像素數略低於 Lumianr，其餘大部分指標都與之相當。
但可靠性遠在 Luminar 之上，車規也更容易通過。
我認為，雷射雷達的發展方向是 Flash，也可以叫
深度相機。性能挖掘潛力最大（深度相機近似於當年剛剛萌芽的CMOS圖像傳感器，最終取代了CCD）全球科技界在全局 Flash 領域的研發投入遠遠高於其他類型的雷射雷達，全部都是超級巨頭：博通（特斯拉的合作夥伴）、索尼、三星、蘋果、意法半導體、英飛凌、AMS、Lumentum、東芝、松下、佳能、濱松、安森美、電裝以及豐田都在開發 Flash 車載雷射雷達。
無論是 SPIE 國際光電工程學會，OSA 美國光學學會，ISSCC 國際固態電路協會，歐洲光電子行業協會 EPIC 會議裡，幾乎所有的論文都是有關 Flash 雷射雷達關鍵部件 SPAD 或 VCSEL 的，傳統的雷射雷達論文完全沒有。深度相機不僅可以用於車載領域，也可以用於其他固態 3D 感測領域，還有 AR/VR。與特斯拉合作開發下一代晶片的全球第二大 IC 設計公司博通，在 2020 年 11 月 EPIC 在線會議上推出車載 Flash 雷射雷達用 SPAD 或 SiPM 陣列晶片。
蘋果 iPhone12 Pro 的超廣角鏡頭的上下兩部分構成了雷射雷達。
這與。車用的 Flash 雷射雷達沒有區別，也是 VCSEL+SPAD 的設計，只是功率小一點，體積小一點。手機界實際早已廣泛採用雷射雷達，只不過叫 ToF 相機。
蘋果已經確定造車，自然也要利用其在雷射雷達領域的研發成果，這些研發成果完全可以用在汽車領域。蘋果 iPad 雷射雷達拆解，傳感器也就是 SPAD 由索尼提供。索尼在 2020 年 12 月 ISSCC上 發表了題為：
A 189×600 Back-Illuminated Stacked SPAD Direct Time-of-Flight Depth Sensor for Automotive LiDAR Systems 的論文，也是直指汽車 Flash 雷射雷達。
一般而言，制約 Flash 雷射雷達性能的兩個元素：VCSEL 體積小，成本低，易控制，但功率比較低。幾家 VCSEL 大廠都在努力開發高功率 VCSEL 陣列，進展最快的是蘋果主供應商 Lumentum，也是全球第一大 VCSEL 廠家，市場佔有率大約 45%。目前試驗產品最高可以做到 10 瓦功率，30 到 50 瓦功率就可以與非 Flash 雷射雷達平起平坐了。車載雷射雷達 SPAD 方面，目前差不多只有 1 萬像素，手機領域 30 萬像素已經是主流。日本在 CCD 領域累積了豐富的經驗，在 SPAD 領域擁有壓倒性優勢。佳能已經開發出 100 萬像素的 SPAD，可以輕鬆碾壓目前性能最高的 128 線雷射雷達，更不要說 Luminar 的 MEMS 雷射雷達了。三星在 2020 年底的國際固態電路研討會上發表了題為：
A 4-tap 3.5μm 1.2Mpixel Indirect Time-of-Flight CMOS Image Sensor with Peak Current Mitigation and Multi-User Interference Cancellation 的論文，提出了 120 萬像素的 ToF 傳感器（即SPAD）。松下則開發了堆疊型 SPAD。這種 SPAD 可以做到 100 米的有效距離。
東芝 2018 年 3 月試做的 SPAD 晶片，解析度 240x96。MEMS 雷射雷達只是過渡產品，只是這個過渡期有多長很難判斷。
我認為，快的話可能 3 年，慢的話可能 6 年。屆時，雷射雷達會和今天傳統的攝像頭一樣，安裝在後視鏡的位置。
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