上海車展在即。

今年，小鵬、蔚來、極狐、R 汽車等多家汽車品牌都將帶來搭載激光雷達的自動駕駛量產(chǎn)車型。

自動駕駛這件事上，中國車企這次集體站在了特斯拉的對立面。

特斯拉認(rèn)為，純視覺可以實現(xiàn)完全自動駕駛。

今天主流的中國車企，則開始量產(chǎn)帶激光雷達的自動駕駛方案。

為什么說激光雷達是 L3 級智能駕駛必備的傳感器？

自動駕駛的感知任務(wù)就是去實時建立一個準(zhǔn)確的 3D 環(huán)境模型。

深度學(xué)習(xí)加單目、三目視覺是無法完成這個任務(wù)的。

單目/三目攝像頭的致命缺陷就是這類系統(tǒng)必須先識別才能探測得知目標(biāo)的信息，目標(biāo)識別（分類）和探測（Detection）是一體無法分割的。

深度學(xué)習(xí)算法的認(rèn)知范圍來源于數(shù)據(jù)集的廣度和豐富性，而數(shù)據(jù)集永遠(yuǎn)是有限的，因此深度學(xué)習(xí)算法肯定會出現(xiàn)漏檢。

如果無法識別目標(biāo)，系統(tǒng)會認(rèn)為前方不存在障礙物。特斯拉多次事故大多都是這個原因。

以上，也就是說單目/三目的系統(tǒng)漏檢是無法避免的，因此它只能用于 L2 的系統(tǒng)。

L2 以上，則必須要有激光雷達，激光雷達將帶來壓倒性的安全優(yōu)勢。

某種意義上，激光雷達廠商的角色可以算是系統(tǒng)集成商。

傳統(tǒng)激光行業(yè)可以提供包括激光發(fā)射與接收部分的成熟零組件，行業(yè)內(nèi)這些零組件都有超過 15 年的技術(shù)沉淀，像 1550 納米的激光接收二極管。

激光雷達公司們在激光二極管領(lǐng)域的技術(shù)沉淀最多也不會超過 3 年，因此它們的主要工作是設(shè)計掃描器。

掃描器也可以采購現(xiàn)成的產(chǎn)品。

如日本 Nidec 的多邊形掃描器，Mirrorcle 的 MEMS 振鏡。

一定程度上，研發(fā)激光雷達產(chǎn)品的門檻沒有那么高。

激光雷達廠家要想掌握核心技術(shù)，就是自研自產(chǎn)掃描器。

1、理想與現(xiàn)實的碰撞：當(dāng)下激光雷達量產(chǎn)的最優(yōu)解

理想的激光雷達技術(shù)非Flash 莫屬。

無論從性能、生態(tài)、成本、體積、車規(guī)來考慮，F(xiàn)lash 激光雷達都是幾乎完美的。

但是目前 Flash 激光雷達的瓶頸是性能太差，這主要是 Flash 激光雷達的激光發(fā)射端是 VCSEL 陣列。

而 VCSEL 陣列的功率密度遠(yuǎn)不能和傳統(tǒng)的激光二極管比，一旦突破這個瓶頸，F(xiàn)lash 激光雷達即可橫掃市場。

但目前來看，F(xiàn)lash 激光雷達要實現(xiàn)量產(chǎn)突破至少還要 5 年時間。

另一個技術(shù)路線是硅光電的 FMCW 激光雷達，技術(shù)成熟度還低于 Flash，并且即便技術(shù)成熟，價格也要比 Flash 激光雷達要高。

FMCW 激光雷達需要昂貴的飛秒級激光發(fā)生器，調(diào)諧器工作在太赫茲頻段，即便大規(guī)模量產(chǎn)，成本也要遠(yuǎn)高于 Flash 激光雷達。

目前激光雷達掃描器可以分為機械式與光學(xué)式兩大類，機械類再可分為微機械、MEMS和 SLAM。

SLAM 比較罕見，目前市面主要看到的產(chǎn)品就是微機械和 MEMS。

微機械再可分為四小類，分別是旋轉(zhuǎn)式（包括旋轉(zhuǎn)鏡和多邊形掃描）、電流計式（Velarray）、多棱鏡和音圈式。

MEMS 分為 MEMS 振鏡和 DMD 微鏡兩大類。

MEMS 振鏡再可分為壓電、電磁和靜電三大類。

2、MEMS 路線為什么異軍突起？巨大的成本優(yōu)勢

激光雷達的發(fā)展方向是朝 Flash 的全固態(tài)發(fā)展。

法雷奧是目前唯一有量產(chǎn)客戶的激光雷達廠家，長距離車規(guī)級產(chǎn)品 SCALA 采用轉(zhuǎn)鏡式設(shè)計，短距離的產(chǎn)品采用 Flash。

然而，法雷奧的下一代長距離的 SCALA 卻是 MEMS 激光雷達，這是為何？

法雷奧激光雷達發(fā)展路線圖

法雷奧是車規(guī)級轉(zhuǎn)鏡激光雷達鼻祖，也最清楚轉(zhuǎn)鏡式激光雷達的缺點，那就是成本下降空間有限。

當(dāng)下法雷奧在售的 SCALA 第二代轉(zhuǎn)鏡式激光雷達，成本恐難低于 400 美元。

這里，我們來分析一下激光雷達的成本結(jié)構(gòu)。

激光雷達成本可以分為 BOM 成本、生產(chǎn)成本和研發(fā)成本。

先來看 BOM 成本。

以 Velodyne 的 Puck VLP-16 16 線激光雷達為例， 其零售價為 3800 美元，BOM 成本大約 1000 美元。

這當(dāng)中主要是激光發(fā)射二極管和激光接收二極管，16 線需要 16 個發(fā)射，16 個接收。

發(fā)射二極管的價格一般是 20-25 美元，典型的如 Excelitas 的 TPGEW1S09H，905 納米，峰值光功率 70 瓦，輸入 12V，峰值電流 30A。

1550 納米激光二極管價格大約是 905 納米硅激光二極管價格的 3-5 倍，但其光功率很低，通常用在激光通信領(lǐng)域。

在激光雷達中需要選用到成本更高的 1550 納米光纖激光器才能達到瓦級光功率，合計大約 580-740 美元。

電機和外殼以及結(jié)構(gòu)件大約 50 美元，電路板大約 100 美元，光學(xué)鏡頭、濾光片和保護罩等光學(xué)器件也需要 100 美金以上。

這樣的機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達合計 BOM 成本大約 830 - 990 美元。

資料來源：techinsights

在主要的元件中，兩個芯片比較貴。

一個是德州儀器的 ADC08500，這是個高速 ADC，高達 500MSPS，因此價格比較昂貴，千顆以上采購規(guī)模要 30 美元一片，這是德州儀器收購國際半導(dǎo)體所帶來的產(chǎn)品線。

另外一個是英特爾收購的 Altera 的 FPGA，型號為 EP3C16U256C7N，價格大約 14美元。

資料來源：techinsights

背面主要是三顆芯片，主數(shù)據(jù)處理芯片 Altera的FPGA，型號為 EP3C25F324I7，價格大約 22 美元。

還有兩片存儲器，價格估計只有 5 美元。

還有一些比較貴的高精度晶振，激光雷達是納秒級產(chǎn)品，時鐘精度要求極高。用的元件精度普遍都要很高。

芯片及主動元件大約占 80 美元，被動元件占 15 美元，PCB 大約 5 美元。

上圖是法雷奧的 SCALA 這樣的旋轉(zhuǎn)鏡激光雷達成本結(jié)構(gòu)，年產(chǎn)量達十萬級。

其 BOM 成本大約 300 美元，16 線需要增加 12 套發(fā)射與接收，也就是大約 400 美元。

這已經(jīng)是年產(chǎn)量十萬級的規(guī)模。

這個價格顯然有點高了。

對于 MEMS 激光雷達，發(fā)射和接收激光器大幅度減少，即使做到等效上百線，有些只有幾個發(fā)射，接收可以用單線的 SiPM，也可以用陣列，比較靈活。

BOM 成本大幅度降低，其主要成本集中在 MEMS 振鏡上，大規(guī)模量產(chǎn) MEMS 振鏡可以降低到 30 到 50 美元，目前從外采購則是 1000 美元上下。

基于振鏡和光源不同，MEMS 激光雷達 BOM 成本目前大約 450 到 1200 美元。

對于 Flash 激光雷達，沒有掃描器，高功率 VCSEL 和高性能 SPAD 都處于萌芽階段，目前價格都很高，萬級像素的 Flash 激光雷達 BOM 大約 700-1000 美元左右。

未來大規(guī)模生產(chǎn)可以輕松降低到 100 美元以下。

那么 MEMS 的缺點是什么？

缺點就是信噪比和有效距離及FOV 太窄。

因為 MEMS 只用一組發(fā)射激光和接收裝置，那么信號光功率必定遠(yuǎn)低于機械激光雷達。

同時 MEMS 激光雷達接收端的收光孔徑非常小，遠(yuǎn)低于機械激光雷達，而光接收峰值功率與接收器孔徑面積成正比，這導(dǎo)致功率進一步下降。

這就意味著最小信號探測能力的降低，同時也意味著有效距離的縮短。

掃描系統(tǒng)分辨率由鏡面尺寸與最大偏轉(zhuǎn)角度的乘積共同決定，鏡面尺寸與偏轉(zhuǎn)角度是矛盾的，鏡面尺寸越大，偏轉(zhuǎn)角度就越小。

最后 MEMS 振鏡的成本和尺寸也是正比，目前 MEMS 振鏡最大尺寸是 Mirrorcle，可達 7.5 毫米，售價高達1199 美元。

速騰聚創(chuàng)投資的希景科技開發(fā)的 MEMS 微振鏡鏡面直徑為 5mm，已經(jīng)進入量產(chǎn)階段。

禾賽科技的 PandarGT 3.0 中用到的 MEMS 微振鏡則是由自研團隊提供。

英飛凌收購的 Innoluce 也能自研 MEMS 振鏡。

MEMS 振鏡主要供應(yīng)商 Mirrorcle 的產(chǎn)品一覽，很明顯，尺寸越大，角度越小。

3、電磁式 MEMS 振鏡：激光雷達最佳選擇

怎么解決或者改善這個問題，那就是電磁振鏡。

按照驅(qū)動方式的不同，MEMS掃描鏡可以分為靜電驅(qū)動、電磁驅(qū)動、壓電驅(qū)動和電熱驅(qū)動四種驅(qū)動方式。

電熱驅(qū)動是利用電能轉(zhuǎn)換為熱能，再轉(zhuǎn)換為機械能驅(qū)動，其優(yōu)點是驅(qū)動力和驅(qū)動位移較大，但是響應(yīng)速度較慢。

壓電驅(qū)動是利用壓電材料的壓電效應(yīng)實現(xiàn)驅(qū)動，具有驅(qū)動力大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，但是壓電材料存在遲滯現(xiàn)象。

電磁驅(qū)動是利用電磁或者永磁體實現(xiàn)驅(qū)動，具有較大的驅(qū)動力力和驅(qū)動位移，缺點是可能會受到電磁干擾。

靜電驅(qū)動是利用帶電導(dǎo)體間的靜電作用力實現(xiàn)驅(qū)動，具有功耗低、速度快、兼容性好等優(yōu)點。是目前使用廣泛的驅(qū)動方式。

靜電驅(qū)動是比較成熟的方式，上述 Mirrorcle 還有某以色列廠家都是采用靜電驅(qū)動。

靜電式 MEMS 振鏡原理圖

靜電驅(qū)動 MEMS 掃描鏡采用單晶硅制造，工藝簡單、成熟、成本低，芯片尺寸非常小，驅(qū)動功耗極低，封裝也比較簡單，屬電壓驅(qū)動型器件。

缺點是力也有點小，且是非線性的，此外存在吸合現(xiàn)象。

電磁式MEMS振鏡

電磁驅(qū)動的力密度大，電磁驅(qū)動 MEMS 掃描鏡也獲得廣泛的應(yīng)用，其掃描角度大，可以實現(xiàn)線性掃描。

電磁驅(qū)動器件工藝涉及數(shù)十微米厚度的電磁線圈的制造，封裝需要配置永磁鐵，器件模塊尺寸稍大些。

該器件屬電流驅(qū)動型器件，驅(qū)動電流達數(shù)十毫安，驅(qū)動功耗較高。

器件既可工作于諧振狀態(tài)，也可以工作于非諧振狀態(tài)，當(dāng)工作與諧振狀態(tài)時，驅(qū)動功耗可以大幅度降低。

電磁式的缺點是工藝復(fù)雜，門檻高，成本略高，體積略大，響應(yīng)速度略慢于靜電，響應(yīng)速度這點倒不成問題.

因為目前后端的數(shù)據(jù)處理能力有限，現(xiàn)在激光雷達數(shù)據(jù)處理除傳統(tǒng)算法外基本都采用了深度學(xué)習(xí)算法，也用激光雷達識別目標(biāo)，與視覺傳感器融合.

不過，由于數(shù)據(jù)量巨大，一般只能承受 10-15Hz 的幀率，電磁式可以做到 30Hz，靜電式更高，但意義不大。

另一個電磁干擾問題很容易解決，那就是增加磁屏蔽和加大磁場密度：采用目前最強的磁體 NdFeB，即釹鐵硼。

至于退磁問題，燒結(jié)釹鐵硼的居里溫度點是 312 攝氏度，居里溫度越高，磁材的工作溫度也相對越高，并且溫度穩(wěn)定性更好。

燒結(jié)釹鐵硼原料中加入鈷、鋱、鏑等元素可提高其居里溫度。

EH 牌號的釹鐵硼工作溫度可達 200 攝氏度，較低的 H 牌號也可以達 120 攝氏度，足以適應(yīng)車載環(huán)境。

MEMS 振鏡的可靠性一直被拿來作為攻擊標(biāo)靶，說 MEMS 振鏡像薯片一樣脆薄。

靜電式或許真有點如此，但電磁式就不同了，其體積大，懸臂可以做的強度更高，電磁振鏡可以做到 300G 以上的抗沖擊，遠(yuǎn)超車規(guī)要求的 50G。

在軍用及航天中的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)普遍采用 MEMS 技術(shù)，能夠承受超過 500g 的過載加速度。

該應(yīng)用領(lǐng)域時限已經(jīng)超過 30 年，而技術(shù)也逐步由軍工轉(zhuǎn)向民用，并非新技術(shù)。

相比之下，機械式激光雷達使用的旋轉(zhuǎn)電機，達到 50G 抗沖擊也有困難。

實際在車上已經(jīng)有不少 MEMS 產(chǎn)品，包括陀螺儀、加速度計、壓力傳感器、MEMS 硅麥克風(fēng)、AR-HUD 和大燈用的 DMD 振鏡。

DMD 振鏡是德州儀器獨家供應(yīng)，即 DLP 技術(shù)，DLP 技術(shù)已經(jīng)使用超過 20 年，可靠性毋容置疑。

林肯大陸和導(dǎo)航員使用的是德州儀器早期 DMD 芯片 DLP3030，只有 40 萬像素。

奔馳 AR HUD 使用德州儀器最新的 DMD 芯片 DLP5531（2018年下半年才量產(chǎn)，所以林肯沒用上）有 130 萬像素，F(xiàn)OV 為 10X5°，VID 距離為 33 英尺即 10 米，奔馳稱這相當(dāng)于 77 英寸顯示器。

不僅在 HUD 上使用了 DLP 投影，在車大燈上，奔馳還極盡奢華使用了 DLP 投影，也是 DLP5531。

使用 MEMS 微鏡的投影大燈

溫度方面由溫度超高的 DLP 投影背書，自然不成問題，實際 MEMS 振鏡可以看成一個半導(dǎo)體芯片。硅基半導(dǎo)體的溫度范圍可輕易做到攝氏零下 40 到 125 度。

機械式激光雷達使用的旋轉(zhuǎn)電機因為潤滑油的原因：

低溫狀態(tài)下油凝結(jié)成脂，出現(xiàn)難以啟動或者無法啟動的現(xiàn)象。

高溫狀態(tài)下，油會揮發(fā)到鏡面上，循環(huán)往復(fù)次數(shù)多了，會累積成油滴干擾光路。

這兩個問題在目前機械式雷達中普遍存在。法雷奧特別增加了 PTC 加熱和冷卻設(shè)施。

對傳統(tǒng)車廠來說，車規(guī)比性能重要，因此近距離選擇 Flash 激光雷達。

對新興車廠來說，性能比車規(guī)重要，因此選擇 Luminar，而介于兩者之間的廠家多選擇 MEMS，如寶馬，盡管 Innoviz 諸多不順，但寶馬并未放棄 MEMS 路線。

因為交期問題，Innoviz 不得已在初期選擇靜電振鏡，但正在轉(zhuǎn)向電磁振鏡。

綜合考慮性能、車規(guī)、成本、體積、生態(tài)，MEMS 電磁振鏡激光雷達恐怕是這 5 年內(nèi)大多數(shù)廠家最好的選擇。