橫評 | 誰是純種全固態閃光鐳射雷達

5月21日，長城汽車高階SUV車型WEY摩卡上市，搭載1個遠端、2箇中程鐳射雷達，最大探測距離250米；配備“準L3級”HWA高速駕駛輔助功能，後期可升級為NOH高速自動領航輔助駕駛。媒體稱，是為全球首款搭載車規級全固態鐳射雷達的高檔自動駕駛量產車型。

仔細一看，近期一些鐳射雷達釋出都使用了閃光（flash）技術。之前業內一些專家認為，閃光式鐳射雷達體積是很小，但近距離會曝光過度，遠距離又測不到，測距在50米內；而使用的APD（雪崩光電二極體）價格昂貴，落地不易。

不謀而合的閃光

艾邁斯半導體

其實，去年德國漢堡的ibeo Automotive就已成為長城汽車全球首家固態鐳射雷達供應商，其第二款ibeoNEXT閃光鐳射雷達將上車WEY品牌，據說還是4D的。

2019年，英飛凌曾與Sense Photonics簽約為自動駕駛汽車改進鐳射雷達技術，今年初，後者展示了適用於大眾汽車市場的全球首款940nm全域性快門閃光鐳射雷達。

今年3月，安森美半導體與LeddarTech合作，推進鐳射雷達技術開發和商業化，旨在製造一系列參考架構，為模組製造商、系統整合商及Tier 1提供平臺。而後者的產品還是3D閃光鐳射雷達。

不難發現，鐳射雷達公司背後都有半導體廠商的身影，當然前者也有自己的專知，合作正在加快鐳射雷達的商用落地。

歐司朗/ams+ibeo的4D固態

ibeoNEXT固態鐳射雷達提供優異的大檢測範圍、高解析度和大垂直角度。由於ibeoNEXT可以額外生成環境強度影象，也可作為黑白攝像頭使用，所以稱其為“4D”，是不是實現全自動駕駛的一個里程碑還不好說。

ibeoNEXT是一個純半導體解決方案，沒有移動部件，緊湊型掃描器體積更小、更堅固。ibeo也在為下一代汽車開發“大腦”，將鐳射雷達獲取的環境資料不斷與數字地圖的方位點進行比較，以確定汽車的精確位置。

今年3月，艾邁斯半導體（ams）與歐司朗正式合併。長城汽車ibeoNEXT固態鐳射雷達方案是ams的特定光源VCSEL（垂直腔表面發射鐳射）技術，是為其核心組成部分。

其128×80的VCSEL陣列（10240個）利用閃光水平行生成垂直線掃描，由光學透鏡元件調整視野和範圍，最長距離250米，涵蓋狹窄的12度水平視野，最寬視場為60度。VCSEL陣列具備出色的功率密度、轉換效率和間距。透過整合功能性安全標準提供增強功能和護眼功能，實現高可靠性。

VCSEL技術原理 VCSEL技術原理

據介紹，在掃描式和泛光面陣式鐳射雷達應用中，大功率VCSEL不易受單個發射器故障的影響，在工作溫度範圍內更加穩定，且易於整合。

ams採用的技術是ToF（飛行時間）感測技術，利用光源和接收器進行遠端目標探測和測距。計算傳送和接收的光脈衝之間的時間即可得出距離。最常見的實現方法是直接飛行時間（D-ToF）。

ToF感測器

得益於ams開發的複雜直方圖資料和智慧軟體演算法，其ToF感測器具有以下功能：

能夠檢測並抵消覆蓋玻璃的影響

免疫由汙漬和由玻璃罩反射引起的串擾

容納較大的氣隙

獨立於物件的顏色、反射率和紋理，保持精確的距離檢測

可以測量視野中多個物體之間的距離

ams的VCSEL比其他型別光源具有特殊優勢，如邊緣發射鐳射器，其較窄的波長頻寬（特別是溫度）可在接收器處進行更有效濾波，提高信噪比。由於發射的是垂直圓柱形光束，整合到系統中更加簡單。

VCSEL陣列通常由50-10k單個發射器組成，與只有1-3個發射器的典型EEL（邊緣發射器）相比，單個發射器故障的影響非常有限。

ams戰略營銷經理Jeroen Biesterbos承認，由於鐳射雷達是一項新興技術，其成熟度、成本和體積仍有待改進，但VCSEL組合有助於客戶在三個方面實現階躍功能改進。

與其他型別鐳射器相比，VCSEL有許多優點：

表面發射（非邊緣發射），在可定址陣列中提供設計靈活性

解決鐳射波長的低溫依賴性

優異的可靠性

晶圓級製造工藝

ams VCSEL技術包括外延結構和晶片設計、外延生長、前端和後端處理、封裝以及高階測試和模擬。

當然，ibeo也沒閒著，5月中旬，為推進量產、節省供應商和主機廠的時間和成本，它提出了新的自動化總體參考方案，用來驗證ADAS和AD應用的車輛感測器。

英飛凌+Sense的真正固態3D

圖源 | geekfence.com

英飛凌與美國舊金山的Sense Photonics合作後沒有更多訊息，反倒是後者動作迭出。今年年1月，Sense展示了適於大眾市場汽車應用的全球首款940nm全域性快門閃光鐳射雷達。

傳統鐳射雷達解決方案使用現成的鐳射元件，用紅外線照亮一列或一排光點，然後以機械方式掃描場景，以覆蓋所需的全部視野（FOV）。由於不能捕獲全幀資料，必須跟蹤每幀返回的每個畫素的時間戳；如果目標（如高速車輛）在該幀內移動，還要使用該資訊來校正運動模糊。

為什麼傳統方法要掃描鐳射呢？Sense指出，答案就在於鐳射源，其掃描需求是因為鐳射只能照亮那個微小的點，而不是所需的視場，所以必須將鐳射光點移動到整個視場以實現全覆蓋。這會導致射程、解析度、幀速率和視野之間的內在權衡問題；還增加了系統複雜性和昂貴的光學元件，並在裝配過程中引入了繁瑣的校準和對準過程。因此，它給客戶帶來了高成本感測器的負擔，還會有許多潛在故障點，在現實使用中，這些故障點與可靠性和耐久性相互掣肘。

在汽車中實際使用機械感測器的大多數客戶都非常熟悉這些故障，特別是旋轉式鐳射雷達，其內部軸承可能頻繁出現故障，必須翻新或更換。此外，無論是旋轉、基於MEMS還是利用電流計，在高振幅振動脈衝（車輛整個使用壽命期）期間都難以保持深度精度。因此，只有完全不需要掃描的架構才是實現量產市場的最佳長期架構。

與傳統技術不同，Sense的閃光架構無需在發射器與接收器之間進行精細對準，可在振動條件下保持感測器校準和深度精度。該平臺只需簡單改變光學器件就能按需調節，是第一個能夠以同一架構提供短距離和長距離功能的平臺。

過去，為了擴充套件ADAS和AV的小眾汽車研發專案，鐳射雷達必須符合汽車可接受的系統成本、封裝和可靠性要求。Sense透過設計特定應用的VCSEL和SPAD（與ams如出一轍），利用晶圓級製造的經濟性推進了效能極限。

Sense的創新閃光架構可以實現200米探測，引起了汽車製造商和Tier 1的興趣。目前客戶仍在評估其系統，預計2021年中上市，2024年底開始量產，估計產品成本為數百美元。

Sense倡導鐳射雷達從照明開始，其做法是讓15,000個VCSEL陣列同時閃光，照亮其SPAD收集器上的140,000畫素。安裝在曲面上的VCSEL可擴大視野，30度水平場最大200米射程是用表面貼裝扁平晶片實現的。

Sense的晶片和VCSEL陣列

Sense專有的發射器和SPAD感測器技術包括幾個部分，Sense Silicon是一款背面發光CMOS SPAD器件，畫素數超過140,000個，可與Sense Illuminator（發光體）無縫配合，後者是一種分散式940nm鐳射陣列，共有15,000多個VCSEL。它們共同構成了類似攝像頭架構的核心構件。

許多鐳射雷達公司依賴低效的邊緣發射鐳射二極體或高成本光纖鐳射器，Sense使用VCSEL陣列，並將每個晶片尺寸縮小到小於頭髮絲的寬度。換句話說，可以把250個VCSEL裝在一個相當於針頭的區域裡！

看看這些陣列是怎麼構建的，首先在晶圓上生長數百萬個VCSEL，然後使用微轉移列印（MTP）專利技術在熱傳導柔性基板上一次“列印”數千個VCSEL，能夠輸出千瓦的峰值光功率，同時保持Class 1眼睛安全，消耗平均功率非常小。

Illuminator還具有獨特靈活屬性，可透過控制其彎曲量來定製水平視野。陣列上每個晶片工作波長為940nm，其太陽通量輸出非常小，可消除來陽光干擾。

安森美+LeddarTech的100%固態

看看安森美半導體在與LeddarTech合作中提供了什麼技術。與傳統APD相比，安森美的矽光電倍增管（SiPM）感測器具備單光子靈敏度，效能一流，在明亮戶外環境可識別300米範圍內的低反射率目標。SiPM的快速輸出模式與LeddarTech最新LCA3片上系統（SoC）的全波形訊號處理功能結合，可實現16通道鐳射雷達系統新的參考架構。

SiPM是一種高增益、單光子敏感感測器，用於近紅外可見光波長探測。ArrayRDM−0112A20−QFN是一個單片1 × 12 SiPM畫素陣列，基於市場領先的RDM SiPM CMOS工藝，適用於製造905/940nm近紅外波長下實現高PDE（光子探測效率）的產品，通常用於鐳射雷達和3D dToF測距應用。

再看LeddarTech做了什麼。它推出的Leddar Pixell是一種180度視野3D閃光鐳射雷達，專為ADAS和自動駕駛應用設計，能夠高度可靠地檢測車輛附近的行人、騎腳踏車人和其他障礙物。

這種堅固的固態畫素鐳射雷達彌補了用於地理定位的機械掃描產品的侷限性，完整的盲點覆蓋使照明視野中沒有死區，消除了後者數米的盲區。該產品已被北美和歐洲領先自動駕駛車輛供應商採用。2020年，Pixell成為CES創新獎獲得者，居然還獲得了深圳市汽車電子行業協會頒發的“優秀創新產品獎”。

LeddarTech應用工程師Patrice Dionne表示：“我們的產品是市場上最堅固的鐳射雷達，因為從一開始就是為最惡劣的出行環境設計的，經過獨立實驗室的各種抗衝擊、振動和灰塵測試。”

Pixell的主要特點包括：100%固態設計；無風扇IP67外殼；一流的抗衝擊和振動效能；工作溫度範圍寬；採用抗衝擊窗和汽車級聯結器。

從原理上看，Leddar感測的核心是漫射光脈衝、反射光收集和全波形分析（包括過取樣和積累）。光源型別、光源數量及照明和接收光束都可根據特定應用要求定製，如探測範圍、光束和空間解析度。

Pixell的核心是片上資料採集與處理系統（LeddarCore SoC）與軟體庫共同（LeddarSP）構成的LeddarEngine，產品分為LCA2和LCA3，採用並行採集模式，多片上整合同步，以增加採集通道和FoV。

其中LCA3訊號取樣與預處理每秒大於50億個，波形數十萬個；支援閃光、混合閃光和其他鐳射雷達架構；設計符合AEC-Q100和ASIL-B/ISO 26262標準，非常適合中高階應用。

兩款鐳射雷達SoC不僅是簡單的多通道資料採集元件，還充當光發射和採集定時控制器，並執行第一層資料預處理，最大限度提高基於光ToF測量的任何鐳射雷達設計。在單獨MCU上執行的LeddarSP 的先進資料分析可實現高精度和大範圍距離測量。LeddarCore特別適合具有訊號處理專知的鐳射雷達製造商開發新的固態鐳射雷達產品，加快其上市時間。

基於LeddarEngine的鐳射雷達框圖

使用單個LCA3的典型鐳射雷達吞吐量為64 × 300通道，25 Hz幀速率下檢測範圍250m。

LeddarTech擁有70多項專利（已授予或正在申請），源於其十多年的研發工作。專利訊號採集和處理技術可以產生更乾淨的訊號，實現較低的檢測閾值，大大提高範圍和靈敏度。它不是直接處理模擬訊號，而是對接收到的回波進行取樣，以獲得感測器的整個探測範圍

與其他鐳射雷達相比，Leddar在靈敏度方面有顯著提高，因此在滿足效能要求的同時可以使用成本更低的元件。使用Leddar技術的好處包括：