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。

特斯拉認為，純視覺可以實現完全自動駕駛。

今天主流的中國車企，則開始量產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就是去實時建立一個準確的3D環境模型。

深度學習加單目、三目視覺是無法完成這個任務的。

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

深度學習算法的認知范圍來源于數據集的廣度和豐富性，而數據集永遠是有限的，因此深度學習算法肯定會出現漏檢。

如果無法識別目標，系統會認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/三目的系統漏檢是無法避免的，因此它只能用于L2的系統。

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勢。

某種意義上，激光雷達廠商的角色可以算是系統集成商。

傳統激光行業可以提供包括激光發射與接收部分的成熟零組件，行業內這些零組件都有超過15年的技術沉淀，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域的技術沉淀最多也不會超過3年，因此它們的主要工作是設計掃描器。

掃描器也可以采購現成的產品。

如日本Nidec的多邊形掃描器，Mirrorcle的MEMS振鏡。

一定程度上，研發激光雷達產品的門檻沒有那么高。

激光雷達廠家要想掌握核心技術，就是自研自產掃描器。

1

理想與現實的碰撞：當下激光雷達量產的最優解

理想的激光雷達技術非Flash莫屬。

無論從性能、生態、成本、體積、車規來考慮，Flash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激光雷達的激光發射端是VCSEL陣列。

而VCSEL陣列的功率密度遠不能和傳統的激光二極管比，一旦突破這個瓶頸，Flash激光雷達即可橫掃市場。

但目前來看，Flash激光雷達要實現量產突破至少還要5年時間。

另一個技術路線是硅光電的FMCW激光雷達，技術成熟度還低于Flash，并且即便技術成熟，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生器，調諧器工作在太赫茲頻段，即便大規模量產，成本也要遠高于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品就是微機械和MEMS。

微機械再可分為四小類，分別是旋轉式（包括旋轉鏡和多邊形掃描）、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、靜電、電熱四大類。

2

MEMS路線為什么異軍突起？巨大的成本優勢

激光雷達的發展方向是朝Flash的全固態發展。

法雷奧是目前唯一有量產客戶的激光雷達廠家，長距離車規級產品SCALA采用轉鏡式設計，短距離的產品采用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？

法雷奧激光雷達發展路線圖

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

當下法雷奧在售的 SCALA 第二代轉鏡式激光雷達，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構。

激光雷達成本可以分為BOM成本、生產成本和研發成本。

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。

這當中主要是激光發射二極管和激光接收二極管，16線需要16個發射，16個接收。

發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。

電機和外殼以及結構件大約50美元，電路板大約100美元，光學鏡頭、濾光片和保護罩等光學器件也需要100美金以上。

這樣的機械旋轉式激光雷達合計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，千顆以上采購規模要30美元一片，這是德州儀器收購國際半導體所帶來的產品線。

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，主數據處理芯片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這樣的旋轉鏡激光雷達成本結構，年產量達十萬級。

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

這已經是年產量十萬級的規模。

這個價格顯然有點高了。

對于MEMS激光雷達，發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，大規模量產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。

未來大規模生產可以輕松降低到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只用一組發射激光和接收裝置，那么信號光功率必定遠低于機械激光雷達。

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。

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

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。

速騰聚創投資的希景科技開發的MEMS微振鏡鏡面直徑為5mm，已經進入量產階段。

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振鏡主要供應商Mirrorcle的產品一覽，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。

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

電熱驅動是利用電能轉換為熱能，再轉換為機械能驅動，其優點是驅動力和驅動位移較大，但是響應速度較慢。

壓電驅動是利用壓電材料的壓電效應實現驅動，具有驅動力大、響應速度快等優點，但是壓電材料存在遲滯現象。

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

靜電驅動是利用帶電導體間的靜電作用力實現驅動，具有功耗低、速度快、兼容性好等優點。是目前使用廣泛的驅動方式。

靜電驅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動。

靜電式MEMS振鏡原理圖

靜電驅動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，驅動功耗極低，封裝也比較簡單，屬電壓驅動型器件。

缺點是力也有點小，且是非線性的，此外存在吸合現象。

電磁式MEMS振鏡

電磁驅動的力密度大，電磁驅動MEMS掃描鏡也獲得廣泛的應用，其掃描角度大，可以實現線性掃描。

電磁驅動器件工藝涉及數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。

該器件屬電流驅動型器件，驅動電流達數十毫安，驅動功耗較高。

器件既可工作于諧振狀態，也可以工作于非諧振狀態，當工作與諧振狀態時，驅動功耗可以大幅度降低。

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

因為目前后端的數據處理能力有限，現在激光雷達數據處理除傳統算法外基本都采用了深度學習算法，也用激光雷達識別目標，與視覺傳感器融合.

不過，由于數據量巨大，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，并且溫度穩定性更好。

燒結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，足以適應車載環境。

MEMS振鏡的可靠性一直被拿來作為攻擊標靶，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，遠超車規要求的50G。

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

該應用領域時限已經超過30年，而技術也逐步由軍工轉向民用，并非新技術。

相比之下，機械式激光雷達使用的旋轉電機，達到50G抗沖擊也有困難。

實際在車上已經有不少MEMS 產品，包括陀螺儀、加速度計、壓力傳感器、MEMS硅麥克風、AR-HUD和大燈用的DMD振鏡。

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

林肯大陸和導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，所以林肯沒用上）有130萬像素，FOV為10X5°，VID距離為33英尺即10米，奔馳稱這相當于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體芯片。硅基半導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電機因為潤滑油的原因：

低溫狀態下油凝結成脂，出現難以啟動或者無法啟動的現象。

高溫狀態下，油會揮發到鏡面上，循環往復次數多了，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加熱和冷卻設施。

對傳統車廠來說，車規比性能重要，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，但正在轉向電磁振鏡。

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

責任編輯：lq