廉價化雷射雷達的希望:MEMS雷射雷達 vs 固態雷射雷達 | 雷射雷達...

雷鋒網(公眾號：雷鋒網)按：本文是雷射雷達技術全景系列文章的第二篇。本系列首發雷鋒網，來自公眾帳號嘯語，原創技術觀察，寫給萬分之一的創新者。

傳送門：

一、特斯拉Autopilot系列事故最詳細梳理

二、廉價化雷射雷達的希望：MEMS雷射雷達 vs 固態雷射雷達

三、雷射雷達存廢之爭—技術路線盤點

四、論未來出行的商業模式

雷射雷達遲遲沒有在汽車領域大規模應用，原因顯然是幾萬美元的價格太貴了，可能比車還貴。很多人選擇鑽研深度學習和圖像識別來取消雷射雷達，也有人選擇雷射雷達的廉價化。

目前雷射雷達價格高的原因包括了需求量少，組裝和調試成本高。Velodyne公司此前的機械旋轉式產品在車用雷射雷達領域佔據統治地位，後續推出混合固態的產品，成本有所降低，正在逐步研發純固態雷射雷達。Velodyne LiDAR獲得百度與福特1.5億美元的投資，計劃到2020年左右成本降至500美金。Waymo（谷歌自動駕駛）和Uber（收購自Otto）自研機械旋轉式雷射雷達的嘗試會在後文提到。禾賽科技、速騰聚創、北科天繪、鐳神智能等中國公司也湧入低成本車用雷射雷達領域。

有公司傾向於取消機械旋轉結構、根本性降低雷射雷達成本的手段，方法之一就是利用MEMS微振鏡（MEMS指的是微機電系統），把所有的機械部件集成到單個晶片，利用半導體工藝生產。選擇這一路線的公司包括了：

荷蘭Innoluce公司（從飛利浦剝離，已經被著名汽車半導體供應商英飛凌全資收購），預計2018年量產，成本不超過100美元，在探測範圍和解析度方面超過其它固態雷射雷達，能夠實現白天單次發射探測距離250米、角解析度0.1°，雷射功率利用效率大於95%，使用的雷射器由歐司朗光電半導體供應。英飛凌公司認為高速運算平臺只是系統的一小部分。

2016年底，研究超微型投影顯示和傳感技術的MicroVision公司，和意法半導體合作推廣雷射束掃描（LBS）技術，應用場景包括了雷射雷達，以及微型投影儀、VR、AR和HUD等市場。

曾經生產機械旋轉式雷射雷達的歐姆龍，2017 年初開始在Opus提供的小型 MEMS 晶片基礎上，研發雷射雷達。

日本先鋒公司，利用原本用於掃描雷射影碟的光學頭，生產MEMS雷射雷達，「當訂單達到100萬，先鋒便可以把價格控制在100美元以下，預計會在2019年開始量產。」先鋒還與高精度地圖服務商HERE合作，測繪地圖。

2017年，博世推出了兼顧雷射掃描和投影的BML050方案，包括兩個MEMS微鏡，可用於交互式投影儀。有新聞報導博世將在2020年前銷售雷射雷達，暫時無法判斷是基於MEMS還是其他技術。

奧迪的矩陣式雷射車燈，使用微鏡（DMD）來控制雷射方向，順便做雷射雷達也不錯，不需要再給Ibeo的雷射雷達騰地方了。

雷射雷達創業公司 Luminar Technologies，從招聘信息推測，對機械旋轉或者MEMS方案的雷射雷達有興趣。

其他在微機械設計MEMS領域有技術積累的公司也有可能進入雷射雷達領域，或者成為核心零件供應商。

生活中最常見的幹涉例子是水波，兩處振動產生的水波相互疊加，有的方向兩列波互相增強，有的方向正好抵消，將這個原理放大，採用多個光源組成陣列，通過控制各光源發射的時間差，就能合成角度靈活，且精密可控的主光束，這就是相控陣的原理。

 

雷射雷達從機械轉動向聚束成形的進化趨勢與雷達完全相同：軍事上廣泛應用的相控陣雷達一般擁有上千個發射天線單元，通過調節波束合成的方式，可以改變雷達掃描的方向而不需要機械部件運轉，靈活性很高，適合應對高機動目標，還可發射窄波束作為電子戰天線。相控陣還可以用於把宇宙太陽能電池板的能量傳回地面，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）已經進行過這方面實驗。

固態雷射雷達的優點包括了：數據採集速度快，解析度高，對於溫度和振動的適應性強；通過波束控制，探測點（點雲）可以任意分布，例如在高速公路主要掃描前方遠處，對於側面稀疏掃描但並不完全忽略，在十字路口加強側面掃描。只能勻速旋轉的機械式雷射雷達是無法執行這種精細操作的。

固態雷射雷達的典型代表是美國的Quanergy公司，單面相控陣最大視角120度。預生產的S3雷射雷達計劃在2017年交貨，價格250美元，5年內低於 100 美元。最早搭載Quanergy雷射雷達感應器的車輛將在2018年面市。已經獲得了大型汽車零部件供應商德爾福，以及三星電子的戰略投資。Quanergy還在與Koito合作整合雷射雷達的汽車前照燈。 

這張圖可以看到Quanergy用光源陣列來合成波束

 

Quanergy將固態雷射雷達的推薦方案與友商進行了對比，認為可以實現低於多攝像頭方案的傳感器成本。 

2014年參與 Quanergy 種子輪和A輪的是特斯拉創始團隊Martin Eberhard等人組建的 Wardenclyffe Partners，當時Elon Musk是投資人之一。Wardenclyffe Partners的公開投資案例只有Quanergy一家。

2016年Quanergy收購了著名軍工企業雷神公司的人體跟蹤軟體，開始進軍安全行業。2017年3月，Quanergy申請參與川普總統的「美麗的邊境牆」計劃。Quanergy CEO認為安全行業的市場規模與汽車行業相當，試圖說服美國總統棄用混凝土，而選擇更便宜的 Q-Guard 虛擬圍欄。其他雷射雷達廠商沒有參與這個競爭。川普要求美墨邊境牆覆蓋建築和供電困難的沙漠、山脈等環境，同時生產太陽能電池板和儲能系統的特斯拉也可以參與給Quanergy的方案供電，當然要討好消費者的特斯拉大概不敢接這筆生意吧，已經有uber的教訓了。

法國汽車零部件供應商法雷奧，2010年與德國雷射雷達供應商 Ibeo 合作開發並量產的SCALA高精度機械式雷射雷達，最大檢測距離為150m，法雷奧在此雷射雷達基礎上，加上Mobileye，開發了Cruise4U 自動駕駛解決方案。2016年採埃孚收購了Ibeo40%的股份，以幫助Ibeo研發固態雷射雷達，也在研究更高效的數據標定。

法雷奧的合作夥伴不止Ibeo，2014年法雷奧與加拿大的 LeddarTech 合作開發固態雷射雷達，由LeddarTech提供技術和專利，計劃2018年量產，照射距離最遠為100m。

雷射雷達技術提供商 LeddarTech 從加拿大國家光學研究所分離。該公司的 Leddar M16 固態雷射雷達，在參加 BattleBots 機器人格鬥比賽的 Chomp 機器人上得到了應用，Chomp藉助雷射雷達的精確測距，實現了氣壓錘的自動瞄準，成功幹掉了上屆冠軍Bite Force的武器傳動鏈條。這大概是目前為止，搭載固態雷射雷達的最著名機器人。在動輒被撞飛的激烈比賽當中，機械旋轉式雷射雷達的可靠性值得懷疑（波士頓動力給旗下機器人配備的雷射雷達是機械旋轉式）。

2016年9月，LeddarTech 開賣模塊化 Vu8 固態雷射雷達，售價475美元，檢測距離215米。2017 CES上，LeddarTech展示了下一代LeddarCore晶片，支持MEMS微鏡和2D/3D Flash 雷射雷達。

TriLumina公司為雷射雷達提供高功率的可調製光源VCSEL，2016年獲得汽車供應商電裝的戰略投資。TriLumina在 2017 CES 展示了基於 LeddarCore IC 的256像素3D雷射雷達解決方案。

2015年 DARPA啟動了「模塊化光學孔徑構造模塊」（MOABB）項目，以研發超緊湊的光學雷達，實現100米遠距離處的3D成像，採用晶圓級加工工藝進行一體化集成，比手機攝像頭更小，典型場景是：「在直升機或無人機上檢測叢林下的狙擊手或坦克」。

MIT的片上雷射雷達（lidar-on-a-chip）項目，特點在於使用商用CMOS生產技術，連接雷射器的是橫截面為幾百納米的矽波導管（可以想像成極小的光纖），對其進行加熱來實現每個天線的光束相位控制。預計成本10美元，有可能封裝到機器人的指尖上。

TetraVue的高解析度雷射雷達，將標準的2D CMOS/CCD，結合新的飛行時間（TOF）模式，距離100米以上，低於200美元，投資者包括博世資本、三星、鴻海等。

以色列初創公司 Innoviz Technologies 的雷射雷達預計100美元，已經獲得900萬美元融資，並且與汽車供應商麥格納達成合作。表示其使用的方法與Quanergy或者MIT的不同，但是無法搜到其專利，具體細節和區別無從判斷。

Princeton Lightwave在2016年7月宣布進入車用雷射雷達領域，該公司擅長蓋革模式雷射雷達（Geiger-mode LiDAR），探測距離更遠，已經在航空測繪領域應用十幾年。

上海思嵐科技已經推出了面向掃地機器人的廉價雷射雷達，同時也在研究固態雷射雷達。

從無人機雷射雷達起家的北醒光子，正在研發多線長距和固態雷射雷達。

Blackmore開發的調頻連續波（FMCW）雷射雷達，並沒有採用最容易理解的主流飛行時間法（Time of Flight, ToF），而是通過測量反射波的頻率改變來測距，精度更高，原理與傳統雷達類似；通過分離都卜勒頻移，可以同時提供目標速度數據，不受霧、雨雪、灰塵影響。該公司獲得350萬美元A輪投資。

ADI亞德諾半導體從Vescent公司購買了可用於改變光束方向的液晶光導技術，還與提供固態照明模塊的TriLumina公司，合作開發低成本的汽車快閃雷射雷達模組。 

初創公司Phantom Intelligence在與歐司朗光電半導體合作研製固態雷射雷達。

事實上有一些照明公司利用歐司朗的高功率紅外LED，實現了「燈 to 燈」的光通信。這讓人好奇，雷射雷達能否作為 DSRC 和 LTE-V2X 之外的補充性車際通信手段。

雷達用來通信不是異想天開，美國曾經測試過，利用F-22猛禽戰鬥機的 AN/APG-77主動電子掃描陣列（AESA）雷達進行大容量實時通信，傳輸對於目前軍用數據鏈過大的未壓縮文件，而光在電磁波譜當中，頻率比無線電更高，所以可以做到巨大的潛在帶寬。

回到雷射雷達的話題。

2016年3月，德國汽車供應商大陸集團（Continental）收購了 Advanced Scientific Concepts 的3D Flash雷射雷達業務，開發探測距離200米的高解析度3D Flash雷射雷達，2020年量產。

以色列初創公司 Oryx的相干光雷達（coherent optical radar）發射端採用長波太赫茲紅外雷射脈衝，天氣適應性強，沒有任何光束的轉向控制，核心競爭力在於接收端，不像其他雷射雷達那樣通過光電傳感器來偵測光線粒子，而是根據光的「波粒二象性」以波的形式使用納米天線陣列接收返回信號，並且進行相干處理，同時實現了都卜勒模式以檢測目標速度。檢測距離150米，預計100到250美元，已經完成1700萬美元A輪融資。

未完待續……

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