激光雷达固态化（1）

​​激光雷达固态化：技术进化

本文总共分为3部分，大家可以点击我头像，完整的看雷达的全部的来龙去脉。

激光雷达作为一个传感器，本不应有那么多的故事，但是身处资本江湖，技术也难以免俗。藉本文系统总结激光雷达技术的方方面面和近年的一些发展趋势，力求信息量丰富而通俗易懂。由于本文涉及技术点甚多很难面面俱到，难免有谬误之处，各位专家学者和企业家轻拍。

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1.激光雷达的前世今生

2.读懂激光雷达技术

·        测距

·        成像

3.Velodyne与多线激光雷达

4.固态激光雷达

·        MEMS

·        光学相位阵列（OPA）

·        面阵成像激光雷达

o    基于传统摄像头的光切片技术

o    基于线性APD阵列的激光雷达

o    单光子激光雷达

·        其他技术方案盘点

o    调频连续波（FMCW）

o    1550nm波段激光雷达

o    扫描发射+面阵接收

o    线性模式下的单光子APD阵列

5.总结

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激光雷达的前世今生

激光雷达（LiDAR）技术，早在20世纪70年代就开始应用，刚开始主要用于舰船入港时避障及防碰撞，继而用于航空测绘等领域。到了八十年代，随着光电二极管、CCD、CMOS等光学器件慢慢成熟，激光雷达开始用于航天飞机回收卫星时精确定位。驱动技术发展的动力往往是战争的压力。在海湾战争中，激光雷达已经普遍用于直升机在舰船甲板上升降控制和直升机夜间飞行引导。美国休斯公司、Schwatz公司、Sparate公司、洛雷尔系统公司、法国汤姆逊公司等纷纷研制出激光雷达成像系统，用于战场侦查、低空飞行控制、主动激光制导等领域。随着半导体光电器件的进一步发展，元器件成本慢慢降低，而且性能不断提升，从而为激光雷达技术进入民用领域打下了基础。激光雷达慢慢地被应用于机器视觉、汽车辅助驾驶、电子游戏、医疗健康、休闲娱乐、智能家居等领域。激光雷达技术的核心是激光测距，但是发展到今天，激光雷达这一概念已经远远超出了“测距”这一范畴。

现代雷达技术，概括而言就是机器工业为人类探索三维世界所提供的眼睛，最常见的有微波雷达、超声波雷达等。而激光雷达作为一种光学探测手段，因为激光的高精度、方向性、单色性、相干性等诸多优点，在诞生之日起就在很多领域发挥了前所未有的作用，应用领域包括工业、农业、医学、国防等。而发展到今天，不少大众型电子消费品也广泛应用了激光雷达技术，例如Xbox中微软的Kinect三维传感器，用的是激光雷达里面飞行时间（ToF）技术，Intel推出的3D传感模块RealSense则基于结构光技术。除此以外，激光雷达还被用在电子游戏中的人机互动，休闲娱乐电子产品中的动作捕获，医疗健康领域的光学相干断层成像(optical coherencetomography，OCT)，智能家居的室内定位、三维成像与人机互动等等。

激光雷达有今日之火爆不能不提谷歌无人车大赛和自动驾驶。最早开展于2004年的DARPA无人车大赛同样源于军事目的（2003年爆发的伊拉克战争让美国陆军觉得无人车可以提供军事支持），直接造就了激光雷达领域的王者Velodyne，众多参赛选手的车顶都有一个花盆样子的传感器，那就是Velodyne 64线激光雷达。后面出现的其他激光雷达玩家基本都以挑战者的形式出现。随着谷歌自动驾驶汽车的新闻不断见诸报端，汽车智能化逐渐成为一个热门话题持续发酵。除了谷歌，各大汽车厂商福特、丰田、宝马、奔驰、路虎等纷纷推出自己雄心勃勃的自动驾驶汽车计划或者概念车。自动驾驶的技术前景和所面临的道德伦理困境我们在这里暂且不讨论，汽车智能化确实一个可以预见的必然趋势。而激光雷达在诸多传感器中，直接获取环境三维信息这一功能到目前为止是不可替代的。

但是价格成了激光雷达大规模应用的最大障碍。2016年完成测试的河南宇通大客车完成了最高时速68公里/小时的测试，其中用到的单线激光雷达、四线激光雷达是德国IBEO公司生产，根据线数不一样，其价格在6000美金到一万多美金之间。另外一个著名牌子SICK单线激光雷达也在2000-6000美金左右。号称激光雷达的“劳斯莱斯”的美国Velodyne，其用在谷歌汽车上的64线激光雷达售价更是一度高达七万美金，16

线雷达价格正在不断下降，但是在可见的未来也将维持在4000美金以上。造成这种价格局面的主要原因并非激光雷达的物料成本（激光管、探测器、部分信号处理IC、AD模块等是主要的物料成本来源，随着批量生产推进，都有望大幅度降低成本），而是光学系统的装配和标定过程。高度严谨的机械系统校准，必然导致系统稳定度和寿命的降低，量产一致性也会导致产能低下。Velodyne这种大厂商目前也在逐步解决机械系统的量产问题了，即便如此，这些精密光机电一体的激光雷达系统能否长时间在汽车上工作依然被人质疑。因此，以摈弃机械为主要目标的固态激光雷达逐渐获得资本和市场的青睐，也被认为最有可能颠覆传统激光雷达技术框架的车规级激光雷达解决方案。颠覆往外来自外部，沉淀了几十年的激光雷达技术，在今天面临的是来自硅光子、MEMS、半导体材料等领域的挑战。与其说挑战，不如认为是新鲜血液的补充，新技术的引入，不过是原有激光雷达技术的延伸和发展，技术的发展必须遵循其自身规律，资本的大规模进入不会造就一个“天顶星技术”，更多是在原有技术基础上的商用化。看清这些技术，我们也就大概看清了一个技术行业的商业脉络。

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读懂激光雷达技术

我们在机器人、AGV和汽车上会用到的激光雷达，准确点应该被称为导航型激光成像雷达，“导航型”区别于传统测绘等应用的测量型雷达，我们讨论的雷达以给智能设备提供导航定位（SLAM）功能为主要目的；而“成像”区别于测风、拉曼等传感型激光雷达，我们讨论的激光雷达以获取三维图像信息作为主要目的。

扫描式激光雷达的技术构成我们大体分成两大部分：测距模块和成像模块，简单点描述就是一个转起来的激光测距仪。非扫描式的激光雷达典型技术为Flash，天生“固态”，采用面阵接收器避免扫描，而发射端则同样采用面光源，简单点描述就是打着手电筒的摄像头。为了融合扫描式雷达和面阵Flash雷达的优点，衍生出了扫描式发射端+面阵接收器的技术架构，典型的如丰田（Toyota ）的激光雷达采用的就是这种架构，未经官方证实的资料显示Quanergy也是采用这种技术架构。整体技术内容大体分类如下图所示。看到这幅图上五花八门的测距术语可能会有点头晕，每种方法网上都有足够的科普资料可查，技术细节在此不再一一分析。针对导航型激光雷达关注热点，我们做一个简单的对比分析。请注意，这里特别强调导航型雷达，原因是不同应用场景下同一种技术的优劣是不一样的。例如，我们所讨论的汽车、机器人、AGV这些应用场景，测距范围要求大部分是300米以内，而对于航空测绘则通常在千米以上，基于这种场景变化，基于GMAPD （盖革模式雪崩二极管）的激光雷达 PK 基于LMAPD （线性模式雪崩二极管）的激光雷达的时候在两种应用场景会有不同结果，后文针对最近很火的基于单光子计数的激光雷达有专门的对比分析。

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1）测距

目前激光雷达的火热，似乎和测距模式上的创新并无关系。几乎所有的老企业或者创业公司在激光雷达项目上所描述的故事都是发生在成像模块上。测距模块作为一个基础模块，基本沿用了过去几十年的积累，工程化方面做了更多的优化。但是不得不说的是测距模块的选择与激光雷达的测距性能，特别是性能的天花板，还是息息相关。

三角测距法：三角测距法属于间接测距的一种，基本原理就是根据返回光斑在线阵光电探测器（CMOS或者CCD）上的光斑位置，通过相似三角形的比例关系，算出目标和探测系统之间的距离。早期进入消费领域的三角法雷达是Neato的用于扫地机上的激光雷达，目前国内上海思岚、深圳EAI、深圳杉川、深圳镭神等企业均有相关产品。三角法激光雷达具有技术实现方便（不需要复杂的信号处理），线阵探测器等核心器件成熟，测距速度较快，近距离精度高（mm级精度）等优点，但是其局限性也很明显：精度随目标距离的平方降低，因此只能在近距离场景应用（通常20m以内）；因为测距精度依赖几何精度，产品化过程对装配、材料、结构等要求较高。另外，其实双目3D摄像头也算是基于三角测距原理的三维成像方案。

脉冲ToF（time of flight，飞行时间）：三角法以外的大部分测距方式都是ToF，也就是根据光的飞行时间来计算距离，各种方案直接的区别在于如何测量飞行时间，脉冲法就是最为广泛应用的一种方法，无论是测绘领域还是现在我们讨论的导航应用，因此相关器件的成熟度也很高。目前主流的激光雷达厂商所采用的测距方法大多也是脉冲ToF，包括Velodyne，国内的多线雷达厂家北科天绘、速腾聚创、禾赛科技、镭神等。如下图所示，其基本原理是打一个窄激光脉冲出去，然后计算其打到目标上反射回来的激光脉冲所经历的时间，然后乘以光速得到距离。听起来原理很简单，但是实现起来却没那么容易，由于光速非常快，3纳秒（10的-9次方）的时间就已经走过1m（往返则6ns），要控制精度，除了脉冲质量、信号处理、时刻甄别、脉冲计时、AD转换等要素，还要控制好探测器的增益进而减少非线性、动态范围等因素对测距精度的影响。脉冲ToF的优点是技术和器件成熟度高，测量距离远，测量精度高（cm级别），测距速度快（几十kHz到MHz皆有可能），抗背景干扰强。其缺点是信号处理较为复杂，雷达之间的串扰不容易排除（后文专门谈激光雷达的串扰问题）。

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其他几种测距方式里面，经常会有媒体曝光的是调频连续波（FMCW，美国Blackmore采用的技术），这种测距方法在医疗器械OCT（光学相干层析）中也使用类似方案，属于相干测距法的典型实现方案。最近宝马i-ventures宣布投资Blackmore以扩大FMCW类型的激光雷达生产，Blackmore采用的是光通信常用的光学集成模块（因此工作波长应该是1550nm，后文专门分析波长选择对激光雷达性能的影响），基于InP（active） +硅（passive）集成片上扫描+阵列单光子探测架构搭建的激光雷达方案。该方案的典型优点是高灵敏度、同时测距和测速，采用连续波对于片上集成来说也较为容易，而缺点就是测距精度对频率调制的线性度要求非常高，片上光源相干性的保持技术难度也比较高。雷达系统级的对比我们在后文会提及。

另外一种会经常应用于Flash成像激光雷达中的测距方式是脉冲增益测距，利用像增强器，通过控制选同门，使得接收端的探测器（如CCD）接受到的信号强度与脉冲的飞行距离（目标距离）直接存在固定的函数关系，从而逆向推导出三维图像。采用这种测距方式的目前国际上有Tetravue，国内有杭州光珀、浙大严惠民研究组等。这种测距方式可以避开面阵探测器的开发，采用成熟的CMOS/CCD探测器，但是缺点是图像处理数据量较大、光调制器等器件较多，要做轻小型较难。

其他的测距方式由于各种不同缺点没法满足成像要求而没有成为主流方案被采用。例如相位法，一般被用于单点测距系统，扫描系统里面部分日本Hokuyo的单线雷达采用相位测距法，其缺点是测距速度慢、远距离精度衰减明显等。

2）成像

如前文所述，目前大部分激光雷达的创新点，包括固态化的方向，都是集中在成像方式上。扫描式激光雷达的扫描模块包括旋转马达、扫描震镜、MEMS微镜、光学相位阵列（Optical Phased Array，OPA）等等，而非扫描的面阵成像激光雷达方案里面的核心零部件是面阵接收器，基于该零件的不同，我们细分为线性模式的雪崩二极管（linear-modeavalanche photo diode，LMAPD）、盖革模式的雪崩二极管（Geiger-mode avalanche photo diode，GMAPD）、CMOS阵列、ICCD阵列等等。另外一种中间路线为扫描式发射端+面阵接收器，融合了两者优点的同时也融合了两者的缺点，算是一种妥协方案。由于成像部分是固态激光雷达技术的核心，我们文后专门讨论各种技术方案参与者和对应方案的优缺点。无论是扫描式还是面阵成像激光雷达，还是两者混合的成像方式，在传统的测绘型激光雷达里面都能找到原型，但是与导航型雷达相比，测绘型雷达在成本、体积等方面的要求低很多，但是在测量距离、数据处理等方面却要求高了很多，因此传统测绘雷达所带过来的经验，很多方面到了导航型雷达里面都要被颠覆掉，完成由一个军用品和工业品到消费品的进化过程。

琳琅满目的激光雷达技术方案之间到底有没有共同的判别标准，答案当然是有的，我们关注任何一款激光雷达，都会落实到数据上，下面我们简单介绍下我们应该关注的激光雷达技术参数。

·        距离分辨率（Distanceresolution）：两个目标物体可区分的最小距离；

·        最大探测距离（Detection range）:激光雷达的最远测量距离，该值通常需要标注基于某一个反射率下测得值（例如白色反射体大概70%反射率，黑色物体7-20%反射率）；

·        测距精度（Accuracy）：对同一个目标进行重复测量得到的距离值之间的误差范围；

测量帧频（Frame rate ）：跟摄像头或者显示屏的帧频概念相同，激光雷达成像刷新帧率，刷新帧率会影响激光雷达的响应速度，刷新率越高，响应速度越快；

数据采样率（Sampling rate）：每秒钟输出的数据点数，等于帧率乘以单幅图像的点云数目，通常数据采样率会影响成像的分辨率，特别是在远距离，点云越密集，目标呈现就越精细；

角度分辨率（Angular resolution）：扫描的角度分辨率，等于视场角除以该方向所采集点云数目，因此本参数与数据采样率直接相关；

视场角（Field of view, FOV）：又分为垂直视场角和水平视场角，激光雷达的成像范围；

波长（wavelength）：激光雷达所采用的激光波长，波长会影响雷达的环境适应性和对人眼的安全性。

撇开系统谈某项参数都是没有意义的，不同技术方案之间的对比远比我们想象的要难，你永远不知道你的对手会用什么新的技术手段解决大家公认的问题，尽管如此，我们还是可以尝试根据披露的媒体信息、专利、创始人的背景、发表的论文等信息去理解各种技术方案之间的差异。至于哪些方案能够获得商业上的成功，只能让市场来检验了，我们拭目以待。

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Velodyne与多线激光雷达

在Velodyne的多线架构激光雷达出来之前，相似的激光雷达形态是德国Sick和日本Hokuyo的单线激光雷达。所谓单线激光雷达，就是只有一对收发单元的激光雷达，同样采用360度旋转的方式采集周边环境数据，因此单线雷达相当于对三维环境切了个断面，得到二维的平面数据。在2005年DARPA无人车挑战赛中，那个时候还没有出现Velodyne的多线雷达，于是参数选手就在车上装了5台Sick的单线雷达采集三维数据，模拟成了多线雷达的形态。到了2007年，下图这款Velodyne 64线激光雷达出现了，很快就被广泛用于各个参数车队。2007年完成比赛的六支队伍中的五支采用了这种带着64个激光头在转的激光雷达，最后第一名和第二名获得者都是采用了激光雷达。直到今天的各大自动驾驶方案，虽然有的自动驾驶方案并没有采用激光雷达（例如特斯拉），但是激光雷达在直接获取三维数据方面的强大功能依然没有别的传感器可以替代，绝大部分还是每辆车采用了不止一部的激光雷达。这种多线激光雷达的结构看起来其实蛮简单粗暴的，就是把64个激光-APD收发对叠在了一起，在垂直方向覆盖28.6度的视场角范围。整个激光雷达的技术核心其实在精密光机和量产时候的定标，以工程化问题为主。

图片来源：NaturePhotonics杂志

在2007-2016年期间的十年，Velodyne几乎是多线激光雷达的代名词，其产品线陆陆续续有了64线HDL-64雷达，32线HDL-32雷达，16线VLP-16混合固态激光雷达。这种产品迭代速度，是对缓慢发展的市场状况的适应，而Velodyne一直没有解决的一个问题就是产能，2017年以前Velodyne的供货都是要轮候的，下单好几个礼拜才能拿到货。Velodyne的产能问题也为其他创业公司在这个产品形态上的切入市场提供了机会和时间窗口。2016年自动驾驶开始火热，资本开始关注激光雷达这个无人车上的核心传感器。国内团队里面，在激光雷达领域蛰伏了十几年的北科天绘在2016年5月推出了16线激光雷达，产品形态与VLP-16是类似的。接下来几个月，国内团队速腾聚创和禾赛科技也相继推出了自己的多线雷达。俨然对Velodyne造成了围攻之势。于此同时，IBEO的四线雷达，Quanergy的M8八线雷达等诸多产品也在蚕食多线雷达市场。而且随着资本的较大规模进入，产品迭代远比过去要快，很快就有厂商推出了激光线束非均匀分布的多线雷达、更多线数的混合固态激光雷达等等。Velodyne在自己沉淀多年的领域面对围攻当然不会坐以待毙，2017年陆续推出了混合固态32线雷达和混合固态128线激光雷达，同时打出了关键一招：将VLP-16做大幅度降价，价格有望降低一半至4000美金。这个价格已经相当接近甚至低于部分国产多线雷达的售价了。孤独的王者Velodyne在经历了十年的寂寞后终于迎来了百花齐放，这种基于技术迭代的良性竞争在很大程度上促进了产品和市场的发展。

还是那句老话，颠覆往往来自外部，Velodyne除了面对多线雷达创业公司的挑战，更严峻的挑战来自于激光雷达固态化这个植根于更多新技术的领域。

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固态激光雷达

记不清固态激光雷达这个概念是什么时候开始火起来的，我的大概印象是2016年投资人看激光雷达，2017年要看固态激光雷达了，到了今年2018年，已经到了各大创业团队交功课的时间了。国内团队这几年在多线激光雷达确实获得了长足的进步，固态激光雷达方面和国外差距却还不小，这种差距，并非显示在产品市场占有率上（大家都没开卖），而是在改造激光雷达这件事情上，国外在底层技术研发方面优势非常明显，所有这些固态激光雷达方案，都是基于某些团队的底层积累，有些团队甚至可以认为是一直在干着别的事情跑过来蹭激光雷达这个热点的。这些芯片级的底层技术包括硅光子学、片上可调谐激光器、单光子探测阵列、MEMS技术等等。即便对于激光雷达这种技术项目，国外吹起泡泡一点不比中国人差，大部分的媒体报道都只偏重某个技术创新点而忽略系统特性，例如宣称FMCW（调频连续波）方案时强调比OPA（光学相位阵列）方案的脉冲ToF如何好，这两者不是在同一个维度下对比，FMCW是测距方式，OPA是扫描方式，这是看PR文最头疼的地方，看遍全文就是找不到完整的信息让自己逻辑自洽。经过若干年的研发，各大固态方案基本框架清晰了，我们现在来看下几种主流方案的。

1）MEMS

典型企业和产品：Velodyne的Velarray，LeddarTech，Innoluce，Innoviz，Fujitsu, Toyota，Draper。

严格来说，MEMS并不算固态激光雷达，MEMS方案中并没有完全消除机械，而是将机械微型化了，扫描单元变成了MEMS微镜。目前的几乎没有一款MEMS微镜是针对激光雷达开发的，大部分研发MEMS微镜都是针对投影或者相关的市场（例如结构光的投影），在这些微镜里面最成功（没有之一）的案例就是TI的DLP了，市面上大部分投影仪都是用的TI的DLP技术做扫描，只不过这是一个微镜阵列而不是单微镜。也有不少基于单微镜开发的微投影系统，说多就跑题了。

图片来源：滨松（左边）；TI DMD（右边）

如刚才所言，大部分微镜其实都不是为激光雷达设计的，包括扫描频率（快轴和慢轴）、扫描角度、镜面面积等参数都不一定符合你为激光雷达所设计的目标参数，所以MEMS激光雷达系统会很考验团队的系统设计能力。下图是一个典型的MEMS Lidar系统图，来自LeddarTech官方发布。有这个图我们可以看到，该雷达发射端采用的是MEMS微镜做扫描，而接收端采用了线阵接收器，所以MEMS方案本身只是提供了一种发射端的扫描选项，接收端的问题留给了系统开发者。MEMS激光雷达开发对比其他固态激光雷达方案，最大的优点就是落地快，微镜技术相对成熟而且可以跟不同供应商采购。由于MEMS微镜普遍很小（亚毫米到若干毫米），太大的微镜震动频率会降低很多不适用快速扫描，小面积的微镜意味着如果拿来接收信号，收光孔径会非常小，因此MEMS并没有解决接收端的问题（一个简单的物理：目标比激光光斑大的前提下，激光雷达接收端接收到的信号功率正比于收光孔径的面积，反比于目标与雷达直接的距离的平方）。MEMS激光雷达另外一个问题就是依然有可能会有较为复杂的光路，例如扩束，微镜扫描角度通常不会特别大（几度到六十度范围都有），需要做大角度的扫描需要加扩束镜头。LeddarTech的纯固态方案中摈弃了MEMS微镜，采用VCSEL（垂直腔面激光器）阵列作为发射端，VCSEL阵列是由TriLumina（美国桑迪亚国家实验室(Sandia NationalLaboratories)独立出来的一家公司）提供，而TriLumina的激光大功率脉冲驱动又是跟半导体芯片公司ADI合作开发（欧美在底层芯片技术方面的全产业链能力可见一斑）。

图片来源：LeddarTech

2）光学相位阵列（Optical Phased Array，OPA）

典型企业和产品：Quanergy的S3，Blackmore, Strobe，MIT Michael R. Watts研究组。

在媒体上，美国创业公司Quanergy一度是OPA Lidar的代名词，说鼻祖不恰当，学术上的讨论要远早于Quanergy，但是将OPA激光雷达带入投资人和公众视野（特别是后续的创业追随者）这件事情上Quanergy功不可没。相比其他技术方案，OPA方案给大家描述了一个激光雷达芯片级解决方案的美好前景。激光雷达的发展总体比微波雷达的发展要晚二十年左右，第二次世界大战的时候英国最早使用微波雷达探测敌机，而激光雷达的诞生自然要在激光之后，世界上第一台激光器诞生于1960年，随后美国国家气象研究中心用激光雷达做气象研究用途，激光雷达真正进入公众视野是1971年阿波罗15号将其用于月球表面三维成像。同样作为“雷达”，激光雷达里面的很多概念包括基本的雷达方程、天线、测距机制等等，与微波雷达基本上是一样的，只不过激光的方向性远远好于微波，激光雷达在三维成像方面的功能在过去几十年的发展中都没有别的传感器可以替代。如此类比如下图，旧式的微波雷达，扫描方式是通过机械旋转，发展到后来有了相控阵雷达，雷达就变成了一块可以贴在军舰上的平板了。如今激光雷达的固态化其实也是在往这个方向努力，希望将机械式360度旋转的扫描方式变成固态的电控扫描。但是，由微波过渡到光，波长相差好几个数量级，因此相比微波相控阵雷达，光学相控阵在器件加工方面面临的困难要大得多。即便如此，光学相控阵并没有那么神秘，其中一个早已经成熟商用化的应用就是基于液晶的空间光调制器（SLM，spatial light modulator），滨松、Meadowlark、Holoeye、Raytheon等都是著名的SLM制造商，由于其巨大的军事价值，直到今天，美国国防部、DARPA都还有多个beam steering相关项目在进行中。