雷射雷達進入4D時代,大眾、保時捷紛紛提前布局

自動駕駛技術，離不開雷射雷達獲取的周圍環境的3D信息，但是「4D雷射雷達」你聽說過嗎？對於無人駕駛汽車來說，除了周圍環境的3D信息，還有一個很重要的因素，就是周圍運動物體的速度，以及物體運動的方向。實時獲取「三維信息+速度」的整體數據，就成了很多公司的研發技術路線。

比如雷射雷達製造商Aeva，這家公司剛剛獲得了大眾汽車大股東保時捷的投資，這也是保時捷投資的唯一一家做雷射雷達的公司。而在今年4月，Aeva宣布已經與奧迪建立了合作夥伴關係。這樣一來，這家公司擁有了大眾汽車兩個高端品牌的加持。

4D雷射雷達背後的FMCW技術

為什麼要獲取周圍物體的速度呢？因為在某個時點生成的三維地圖畢竟是一個相對靜態的數據，三維數據上每一個點是靜止的、還是運動的？這個物體下一秒會朝哪個方向前進？這對判斷周邊物體（比如行走的行人和靜止的樹木）是非常重要的。而如果能成功獲取到速度的數據，傳感器就能幫助自動駕駛汽車判斷數百米之外的物體究竟是靜止的樹木還是行走的行人，從而做出正確的決策。

雷射雷達大致可以分為兩類：脈衝雷射雷達和連續波雷射雷達。脈衝雷射雷達是目前階段大部分的雷射雷達公司採用的技術，使用的是「飛行時間(ToF)」的原理，發射不連續的光脈衝來計算往返的時間、獲取目標的距離。第二種技術就是發射連續波來探測物體，並由此可以測量返回光子的頻率。這種方式也被稱為連續波調頻(FMCW)，能夠成功探測到周圍物體的速度。

雷射雷達生成的點雲圖

這種技術之所以能探測速度，是因為FMCW雷射雷達一般採用所謂的「相干探測」，可以對運動目標進行都卜勒測量。我們高中物理都學過「都卜勒效應」，波在波源移向觀察者接近時頻率變高，而遠離觀察者時接收頻率變低。通過都卜勒測量，能夠準確區分出運動與靜止的物體，從而進行速度數據的測量。

高校和產業界持續投入

FMCW技術被很多人認為是非常有應用前景的雷射雷達技術。比如2017年美國陸軍地理空間實驗室就發表了一篇論文，對比了兩種雷射雷達的3D成像效果，證明了FMCW技術比光脈衝看到的細節更豐富。因為能夠測量速度了，有助於自動駕駛汽車進行預判，提高了駕駛的安全性。另外一些好處就是大幅消除了外界輻射的影響，還有功率比光脈衝雷射雷達低，對硬體性能的要求也相對較低，所以可以集成到更小的晶片上。

由於這些優勢和應用前景，針對FMCW技術，很多高校、具有研發職能的機構都在進行相關的研究。我了解到的就有美國海軍實驗室、美國蒙大拿州立大學在研究更高解析度、成像更清晰的FMCW技術。另外，把FMCW技術集成到小型化晶片上也是研究方向之一，2014年以來，加州大學伯克利分校、加州理工大學、MIT都在把FMCW技術作為研究重點，開展相關研究。除了學術界以外，在產業界，有大量的公司正在進行基於FMCW技術路線的研發，並且取得了一些階段性成果，比如法國的Thales公司、被Aurora收購的Blackmore公司、被通用旗下的自動駕駛公司Cruise收購的Strobe。

因為上述的這些優勢，Aeva公司主要進行FMCW技術路線相關的研發，把傳感器的所有關鍵元件集成到了小型化的晶片中，最新的晶片只有手指大小，與二十五美分硬幣相當（直徑為24.26毫米）。自動駕駛汽車採用這一款傳感器，所佔用的空間也就會非常小，其他的硬體就會有更多的空間，雷射雷達傳感器的能耗也有明顯降低。

市場化的前夜

Aeva公司在接受媒體的採訪時宣布，他們的「4D雷射雷達」可以識別距離300米遠的物體，已經達到了目前市面上雷射雷達探測的極限。公司負責人在公開場合表示，這款雷射雷達還可以探測到反射10%入射光的物體，可以識別車道標誌或者交通標誌。

更重要的是，Aeva研發的4D雷射雷達售價不超過500美元。我們知道雷射雷達能否被廣泛應用於無人駕駛汽車，關鍵因素在於成本。這款產品水平方向可掃描120度，垂直方向上可掃描30度，理想情況下，1-2個雷射雷達即可滿足一輛自動駕駛汽車的需求；而要實現真正的無人駕駛，則需使用3-4個雷達。不過，即使是使用3-4個雷射雷達，每輛車的成本也才1500-2000美元左右，仍然遠遠低於雷射雷達的老大Velodyne的價格。據說大眾集團也正是看中了Aeva雷射雷達的成本優勢。

技術的競爭就是這樣，起步再早，只要沒有實現規模化生產並推向市場，就隨時有被更新的技術超越的風險。Aeva成立於2017年，雖然這一輪融資的金額沒有透露，18年融資額是4500萬美元，在雷射雷達領域算不上大融資，應該離量產還有距離，但另一家雷射雷達企業Luminar今年下半年又融了1億美元，累計融資已達到2.5億美元，正在衝擊量產（不過他們原來宣布18年底實現量產，現在看也推遲了）。面對越來越多的追趕者，Velodyne遲遲不能量產，價錢也降不下來，確實需要警惕了！

儘管Aeva的雷射雷達技術路線跟其它競爭性技術相比，仍然存在測量時間長、數據處理量較大等缺點，但隨著量產規模擴大、技術迭代提升，成本不斷快速降低，雷射雷達也在向小型化、低功耗、ASIC 集成化發展。你看，小型化是雷射雷達的發展方向，甚至在未來有可能將這樣的高精度的3D成像功能引入消費電子領域。

再來看看團隊。Aeva有兩位創始人，第一位Soroush Salehian是前蘋果高管，擔任了四年的產品研發經理，參與了ipod、apple watch和iphone的產品研發，負責的板塊包括LED系統和傳感系統。他在加入蘋果之前就創立了一家公司bluelibris，做持續的實時健康監測可穿戴設備，賣出了30多萬臺，最後被Numera Health收購。從創立公司到加入蘋果，現在繼續出來創業，積累了大量的產業經驗和行業理解。加上史丹福大學的校友背景，也積累了不少人脈。

第二位聯合創始人Mina Rezk更偏向於CTO的角色，曾經在尼康擔任了11年的硬體開發，負責雷射雷達產品線的所有研發任務。後來又在蘋果做了一年多的傳感器研發，2017年兩位創始人一起出來創業，成立了這家Aeva公司。

聯合創始人Mina Rezk公開表示，這種雷射雷達正在量產中，而且有一些OEM製造商已經開始購買使用他們的產品，並投入測試了。其實，從今年4月開始，奧迪E-Tron的實驗版本已經開始使用這款雷射雷達了。大眾汽車的自動駕駛部門正在計劃在未來的汽車中使用Aeva的雷射雷達，最新的消息是，2022年上市的大眾ID Buzz電動汽車就會採用這款雷射雷達。

雖然有好技術在手，但這並不意味著Aeva在未來能秒殺其它雷射雷達廠商。其實，世界上第一款用於自動駕駛汽車的FMCW雷射雷達系統是被Aurora收購的Blackmore公司研發的。不過跟Aeva公司的300米探測距離相比，我們了解到的數據是Blackmore公司的測量範圍要短得多：200 碼（約184 米）。而在Blackmore之前，這種技術更多是用在航空航天（NASA研發出了第一臺都卜勒雷射雷達，用於月球自動著陸任務），以及重工業（比如測量風速和湍流，三菱將其用於風力發電，檢測空中交通安全）。