說到激光雷達(dá)就一定會(huì)提到自動(dòng)駕駛，而在如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的方法論上，不管馬斯克如何安利純視覺方案，也不管他如何貶低激光雷達(dá)，特斯拉的中國(guó)學(xué)生們卻沒有學(xué)美國(guó)老師的玩法，紛紛給電動(dòng)車裝上了激光雷達(dá)，走雷達(dá)+攝像頭的混合感知路線。

在剛剛過去的廣州車展上亮相了13款裝有激光雷達(dá)的車型，長(zhǎng)城旗下新能源電動(dòng)車品牌沙龍機(jī)甲龍更是一口氣裝上了4顆，并且放出狠話“4顆以下，請(qǐng)別說話”。如此霸氣的炫富，即使在概念頻出的新能源電動(dòng)車圈里也不多見。

那到底激光雷達(dá)給自動(dòng)駕駛帶來了什么好處，以至于這么多車企都要裝？又為什么說Mobileye可能會(huì)是激光雷達(dá)行業(yè)的終極贏家呢？繼續(xù)往下分解

祖師爺Velodyne：以機(jī)械式激光雷達(dá)開場(chǎng)

都知道Mobileye以單攝像頭視覺方案崛起于ADAS，但攝像頭在某些場(chǎng)景下存在很難克服的困難，比如夜晚光線太暗導(dǎo)致成像效果不理想、惡劣天氣導(dǎo)致能見度太低等。最為致命的是在高速路上，高速行駛的車輛需要提前感知前方足夠遠(yuǎn)距離內(nèi)的道路狀況，好提前做好預(yù)警準(zhǔn)備。而攝像頭能清晰識(shí)別的距離有限，一般不會(huì)超過70米，這個(gè)識(shí)別距離在高速路上明顯不夠。

于是，激光雷達(dá)登場(chǎng)了。激光的準(zhǔn)直性不錯(cuò)，光線聚焦不容易發(fā)散，能將識(shí)別距離提高到150—200米。1個(gè)激光發(fā)生器稱為1線，16線就需要16個(gè)激光發(fā)生器，在豎直方向上1條線對(duì)齊排列，然后360°轉(zhuǎn)動(dòng)。這種方案稱之為機(jī)械式激光雷達(dá)，也是激光雷達(dá)鼻祖Velodyne選擇的方案。

圖：三種線數(shù)的機(jī)械式激光雷達(dá)示意圖

優(yōu)點(diǎn)是能探測(cè)車輛周圍360°的圖像，視場(chǎng)角FOV達(dá)到360°的最大值，沒有視場(chǎng)盲區(qū)。但缺點(diǎn)也非常明顯，要得到分辨率更高的圖像，就要增加激光雷達(dá)的線數(shù)，也就是要增加激光發(fā)生器的個(gè)數(shù)，導(dǎo)致產(chǎn)品體積成倍增加，沒法集成到車身里，只能裝在車頂，被車廠親切地稱為“車頂肯德基桶”。

圖：裝在車頂?shù)臋C(jī)械式激光雷達(dá)

更麻煩的是，要保證掃描光線彼此平行不交叉，需要調(diào)教激光發(fā)生器的相對(duì)位置。線數(shù)越多，需要調(diào)教的激光發(fā)生器數(shù)量就越多，調(diào)教難度又是成倍增長(zhǎng)。另外，機(jī)械式激光雷達(dá)必須用電機(jī)作為轉(zhuǎn)動(dòng)部件。電機(jī)一刻不停的轉(zhuǎn)動(dòng)，就不斷有機(jī)械磨損，導(dǎo)致工作壽命在幾千小時(shí)，一般不會(huì)超過5千小時(shí)，離車規(guī)要求的上萬小時(shí)距離較遠(yuǎn)。

體積大零部件多、制作難度大、使用時(shí)間短，種種原因?qū)е聶C(jī)械式激光雷達(dá)的價(jià)格極高。2016年，Velodyne的16線產(chǎn)品售價(jià)約8000美元，而一枚64線產(chǎn)品售價(jià)高達(dá)8萬美元，普通乘用車根本用不起。如今機(jī)械式激光雷達(dá)大都用在無人車的測(cè)試車上。

固態(tài)：用光學(xué)鏡頭偏轉(zhuǎn)取代機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)

既然激光雷達(dá)必不可少，機(jī)械式的缺點(diǎn)又這么多，那就用技術(shù)來升級(jí)它。聰明的工程師們想到一個(gè)絕妙的辦法，用光學(xué)鏡頭折射激光，達(dá)到多個(gè)激光發(fā)生器同等的效果。比如激光在1s內(nèi)掃描1個(gè)點(diǎn)，如果鏡頭0.5s偏轉(zhuǎn)一次，讓激光在1s 內(nèi)掃描2個(gè)點(diǎn)，那么就相當(dāng)于有兩個(gè)激光發(fā)生器，可稱之為等效線數(shù)。

采用這種方案就不需要激光發(fā)生器360°轉(zhuǎn)動(dòng)了，也減少了激光發(fā)生器數(shù)量，大大降低成品體積，可以被集成到車身上，能被乘用車采用了。根據(jù)光學(xué)鏡頭和偏轉(zhuǎn)方式，又可以分為這么幾類：

1、旋鏡方案

如下圖所示，激光發(fā)生器發(fā)出的激光經(jīng)過一塊平面鏡反射到一個(gè)棱柱狀旋鏡。平面鏡上下翻轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)激光在垂直方向上的掃描；旋鏡轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)激光在水平方向上的掃描。1個(gè)激光發(fā)生器+兩個(gè)鏡頭就可以覆蓋車輛前面一定范圍的圖像（實(shí)際產(chǎn)品中不止一個(gè)激光發(fā)生器）。采用這種方案的公司有禾賽科技和華為。以禾賽科技在2021年下半年發(fā)布的最新車規(guī)級(jí)激光雷達(dá)AT128為例，其視場(chǎng)角為水平120°×垂直15.4°，最高探測(cè)距離200m，尺寸137×112×147mm。

圖：半固態(tài)旋鏡方案激光雷達(dá)示意圖

2、MEMS微振鏡方案

這種方案的光學(xué)掃描部件采用MEMS工藝制作的微振鏡，尺寸在微米量級(jí)。如下圖所示，圓形鏡片在懸臂梁的支撐下可以在上下和左右兩個(gè)方向上振動(dòng)，同樣實(shí)現(xiàn)激光在水平和垂直兩個(gè)方向上的掃描。

  圖：MEMES微振鏡3D立體示意圖                圖：MEMES微振鏡2D平面示意圖

知名創(chuàng)企速騰聚創(chuàng)就是采取這種方案，也是目前商用的主流方案，優(yōu)點(diǎn)是MEMS工藝成熟，成本可控，受到車廠青睞。去年廣州車展上亮相的13款前裝激光雷達(dá)新車型中，有接近一般都選擇了這種方案。

3、棱鏡方案：

光學(xué)掃描部件采用不規(guī)則的棱鏡，如凸面鏡、楔形鏡等。好處是通過不規(guī)則棱鏡的折射，可以把激光偏轉(zhuǎn)到更大的范圍，增大激光雷達(dá)的視場(chǎng)角。難點(diǎn)在于對(duì)光路的設(shè)計(jì)，以及對(duì)微型電機(jī)的控制。大疆的子公司覽沃科技Livox就是采用這種方案，借助于大疆在無人機(jī)上積累的電機(jī)控制經(jīng)驗(yàn)，Livox在已經(jīng)發(fā)布的車規(guī)級(jí)激光雷達(dá)產(chǎn)品HAP上將電機(jī)尺寸軸承直徑做到了5mm，轉(zhuǎn)速高達(dá)7000轉(zhuǎn)/min。轉(zhuǎn)速越大，等效線數(shù)越大，每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)上有更多光線掃過，分辨率就越高。

圖：棱鏡方案光學(xué)部件示意圖

以上三種方案都是在光學(xué)掃描部件上做文章，但更高階玩法是在激光收發(fā)部件上動(dòng)心思。傳統(tǒng)激光發(fā)生器一般采用分立器件組裝形式，體積大，成本高。采用如下圖所示可以集成到芯片上的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），一顆芯片就可以集成數(shù)十、上百個(gè)激光器，再加上接收部件、邏輯運(yùn)算單元，一顆激光雷達(dá)專用SoC誕生了。只要芯片化，就可以用摩爾定律降低其體積和成本，加速激光雷達(dá)上車應(yīng)用的步伐。

 

         左圖：垂直腔面發(fā)射激光器示意圖        右圖：集成多個(gè)垂直腔面發(fā)射激光器的芯片

 

Mobileye的逆襲：FMCW對(duì)戰(zhàn)TOF

終于輪到Mobileye出場(chǎng)了。2021年1月11日，Mobileye發(fā)布了一款激光雷達(dá)SoC芯片，2025年量產(chǎn)。探測(cè)原理采用了跟以上所有方案都不相同的調(diào)頻連續(xù)波FMCW（ Frequency Modulated Continuous Wave）的方案。

以上所有激光雷達(dá)探測(cè)原理都是基于飛行時(shí)間TOF：入射光打在物體表面被反射回來，接收器檢測(cè)到反射光，計(jì)算光線從出射到回收的時(shí)間，就可以算出光線走過的路程，除以2就是物體與雷達(dá)的距離。目前裝車商用的激光雷達(dá)產(chǎn)品，以及有點(diǎn)知名度的創(chuàng)企幾乎全是采用這種技術(shù)路線。

Mobileye之所以會(huì)選擇FMCW，是因?yàn)門OF的路上有幾個(gè)不太好跳出來的坑。比如很難規(guī)避外界光線干擾的影響，這個(gè)干擾來自可能來自強(qiáng)陽光、也可能來自車輛自身安裝的其他激光雷達(dá)，或者是別的車上搭載的激光雷達(dá)。

如今裝有激光雷達(dá)的車輛數(shù)量很少，這個(gè)問題還不嚴(yán)重，當(dāng)裝有激光雷達(dá)的車輛越來越多，車輛之間激光信號(hào)的串?dāng)_問題會(huì)越來越嚴(yán)重。要解決這個(gè)問題常見的做法是對(duì)每一束激光脈沖進(jìn)行單獨(dú)編碼,使其不受其他激光雷達(dá)的干擾。不過，編碼會(huì)導(dǎo)致信噪比下降，進(jìn)而犧牲測(cè)距能力。

TOF方案最大的問題是沒法獲取目標(biāo)物體的速度信息，尤其是較遠(yuǎn)處物體的速度信息，因?yàn)槲矬w距離越遠(yuǎn)，反射回來的激光信號(hào)越弱。但在某些場(chǎng)景下，比如一輛速度很快的車輛對(duì)向駛來的時(shí)候，TOF方案沒法預(yù)測(cè)到這個(gè)潛在危險(xiǎn)，到走近之后才發(fā)現(xiàn)留給車輛的規(guī)避時(shí)間就很短了。

再比如，下雨天車輛前輪胎會(huì)濺起水霧，水霧在TOF激光雷達(dá)射上形成的點(diǎn)云看起來跟車輛或其他障礙物沒什么區(qū)別。這種信息會(huì)給自動(dòng)駕駛決策系統(tǒng)造成很大的困擾。如果經(jīng)常因水霧而誤剎車，不僅乘坐體驗(yàn)很差，而且還埋下了可能被追尾的安全隱患。

圖：激光雷達(dá)掃描得到的點(diǎn)云圖

以上困難用FMCW就很好解決。FMCW通過發(fā)送和接收連續(xù)激光束，把返回光和本地光做干涉，并利用混頻探測(cè)技術(shù)測(cè)量返回光和本地光的頻率差異，再通過頻率差換算出目標(biāo)物的距離。如果目標(biāo)物靠近車輛，光頻率會(huì)升高；如果目標(biāo)物遠(yuǎn)離車輛，則光頻率會(huì)降低，通過頻率差異就能算出目標(biāo)物相對(duì)于車輛的速度。

在上面那個(gè)水霧的場(chǎng)景下，水霧在FMCW探測(cè)圖像上有明顯的上升和下降的軌跡，可通過這些速度信息幫助決策系統(tǒng)判斷出它們是“水霧”，在決策算法中將其過濾掉。另外，F(xiàn)MCW只對(duì)自身發(fā)射的激光產(chǎn)生干涉，不受其他雜光的干擾，包括太陽光等環(huán)境光，以及來自其他激光雷達(dá)的光。TOF易受外光串?dāng)_的問題也迎刃而解。

這么好的方案為什么國(guó)內(nèi)幾大知名的激光雷達(dá)創(chuàng)企沒有跟進(jìn)呢？原因在于，要制造FMCW芯片需要復(fù)雜的硅光子芯片制造工藝，而Mobileye的東家Intel在服務(wù)器領(lǐng)域有強(qiáng)大的光纖收發(fā)器產(chǎn)品線，積累了豐富的硅光子芯片制造工藝，可以幫助Mobileye解決研發(fā)和制造上的難題。

在2021年CES上，Mobileye CEO Shashua在演講中是這么說的：“我們激光雷達(dá)的性能預(yù)計(jì)會(huì)超過市場(chǎng)上任何已知的解決方案，能夠使激光雷達(dá)本身成為一個(gè)單一的、完整的、獨(dú)立的感知系統(tǒng)。”

當(dāng)業(yè)界還在感嘆昔日ADAS的霸主Mobileye在高階自動(dòng)駕駛上逐漸掉隊(duì)的時(shí)候，殊不知，人家正在醞釀著一次終極反擊。