各有千秋的车规激光雷达背后的技术支撑

文︱立厷

图︱网络

别以为特斯拉要上激光雷达。

前不久，佛罗里达州棕榈滩，一辆特斯拉Model Y车顶架上了Luminar激光雷达，使后者股票一度上涨。据推测，原因之一是特斯拉在对基于视觉的全自动驾驶方法进行基准测试。而最近从特斯拉离职的法律副总裁Al Prescott正是去了Luminar。

不过，今天要聊的还不是这家由95后Austin Russell在2012年创办的公司，因为我并不看好这个根本没有量产，只靠炒作固态激光雷达，却顶多是个半固态的上市公司。事实上，激光雷达公司背后都有半导体厂商的身影，合作正在加快激光雷达的商用落地。

在汽车应用中，激光雷达可改善安全和驾驶员辅助系统（ADAS），包括车道保持和交通堵塞辅助功能，还可用于全自动驾驶驾驶，如无人运输，实时安全地实现导航。根据Yole的数据，汽车应用预计将成为激光雷达的重要驱动力，2019年至2025年期间将实现18亿美元的增长。

近年来，激光雷达在汽车应用中越来越受欢迎，一些更稳定成熟的低成本车规级产品正逐渐形成量产规模。

艾迈斯半导体（ams）现场应用工程师Spencer Bai表示：“让汽车能够‘看到’环境非常关键，L3以上需要用激光雷达。当前的驾驶员辅助系统（ADAS）依赖摄像头、雷达或两者的组合，没有一种单独或组合能够为自动驾驶提供令人满意的性能。”

他认为，未来人的监督要由传感器冗余来接管。激光雷达的引入将使全自动驾驶成为可能，因为它是唯一一种能够精确确定车辆在地图上位置、实现远程目标检测和识别的技术。激光雷达与摄像头、雷达及V2X融合才能有足够的冗余。

安森美半导体智能感知部中国区图像应用工程主管钱团结博士认为，相比其他传感器，激光雷达在探测距离及角度和深度分辨率等方面优势明显。这些优势源于激光雷达核心组件技术的进步，芯片效率的大幅度提升可以节省更多发射功率或探测更远距离，配合先进的高功率、高效率光源发射器以及后端信号处理电路及成熟算法，在自身尺寸变小的同时，激光雷达整体性能也在大幅度提升，更能适应车载环境的实际应用。

他表示，近年来，SiPM技术发展势头强劲，由于具有功能独特，已成为市场上深度感知应用的首选技术。SiPM能在明亮阳光条件下长距离提供最佳信噪比。其他优势包括较低的电源偏置和温度变化敏感性，是使用传统APD的系统的理想升级选择。

Sense Photonics首席技术官Hod Finkelstein则表示，激光雷达是实现L3-L5自动驾驶所需传感器融合的关键组件。激光雷达可提供高分辨率深度数据，提升目标识别能力，这是单独的雷达或相机不可能实现的。

他认为，汽车中实际使用的旋转式激光雷达会因内部轴承问题频繁出现故障，必须翻新或更换。此外，无论是旋转还是基于MEMS的产品，在高振幅振动脉冲（车辆使用）中都难以保持深度精度。因此，只有完全不需要扫描的架构才是实现量产市场的最佳长期架构。过去，为了扩展ADAS和AV的小众汽车研发项目，激光雷达难以满足汽车可接受的系统成本、封装和可靠性要求，现在情况已经改观。

为了满足激光雷达更远距离要求，实现超低目标反射率探测，抑制环境光等噪声，同时大幅度降低整体成本，安森美半导体基于硅基单光子探测器芯片，大力推广基于硅光电倍增管（SiPM）探测器+近红外（NIR）波长+直接飞行时间（dToF）的激光雷达方案。

SiPM和SPAD（单光子雪崩二极管）探测器是2018年收购SensL所得。SiPM是一种建立在SPAD上的探测器，对单个光子非常敏感，能够在阳光直射环境条件下工作，有助于系统探测到最远的物体，即使反射率最小。基于SPAD阵列的飞行时间图像传感器可以实现高分辨率4D成像，从场景中的所有点同时捕获深度数据和强度。

目前，SiPM和SPAD技术已成为实现激光雷达系统中接收器功能的关键，这两种光电探测器类型均基于盖革模式（Geiger mode，只适用于单光子计数的模式），有助于实现符合车规、高增益、低成本、尺寸紧凑的传感器，适用于汽车长距离激光雷达的微光探测场景，提供业界最高灵敏度、最佳一致性和低噪声的产品。

通过对比可以看到，PIN二极管、APD阵列、SPAD阵列、SiPM阵列还是有很大不同。

与已有APD产品相比，SiPM和SPAD技术具有高灵敏度（2000倍）、更高增益（1万倍）、更低供电电压（约32V）及最佳一致性等优势。另一个优势是一开始就从汽车认证入手设计光电探测器及其封装，并采用主流大批量CMOS工艺制造，成本低，可靠性高。除了光电探测器以外，安森美半导体还提供激光系统中符合车规的驱动芯片、电源芯片、放大器和读出芯片等整体系统硬件方案，以及经验证的激光雷达模型仿真数据等，有助于客户掌握新技术，让产品快速落地。

3月，安森美半导体发布了用于激光雷达应用的全球首款车规认证SiPM阵列ArrayRDM-0112A20-QFN，为激光雷达量产铺平了道路。它是一款单片1×12 SiPM像素阵列，可实现NIR高灵敏度，在905nm达到领先业界的18.5％的光子探测效率（PDE）。SiPM的高内部增益使其灵敏度可达到单光子水平，与高PDE结合可以检测最微弱的返回信号。即使是低反射率目标，也能探测到更远的距离（300米以上），为车辆赢得更多应对意外障碍的时间。

钱博士解释说，ArrayRDM-0112A20-QFN是单片线阵SiPM探测器，曝光采用的是全局快门方式，12个点完全独立，可以在给定时间里各自接受自己区域的光子后输出脉冲。

据介绍，目前，一些主流激光雷达厂家都在积极引入采用SiPM探测器的激光雷达，已经有部分厂家开始量产。采用ArrayRDM-0112A20-QFN线阵芯片的激光雷达也将于今年量产。

安森美半导体还有一款400×100像素SPAD面阵阵列芯片Pandion，采用卷帘快门读出，不仅有图像信息，还可提供点云信息。全球包括中国知名激光雷达公司都在用这款器件开发产品，今年会有一些量产激光雷达上车。

年初，Sense Photonics展示了适于大众市场汽车应用的全球首款940nm全局快门闪光（像照明）激光雷达。Hod Finkelstein说：“我们已经实现了业内专家一度认为不可能实现的目标，并通过Sense Illuminator、Sense Silicon和我们最先进的信号处理技术创造了一个革命性的新架构，使数据输出小型化，一举解决了主机厂、Tier 1和Robotaxi公司一直以来担心的激光雷达功能不足的问题。”

Sense的所谓“照明”是让15000个VCSEL阵列同时闪光，照亮其SPAD接收器上的140000像素。安装在曲面上的VCSEL可扩大视野，30度水平场最大200米射程采用表面贴装扁平芯片实现。

传统激光雷达是使用现成的激光组件，用红外线照亮一列或一排光点，然后以机械方式扫描场景，以覆盖所需的全部视野（FOV）。由于不能捕获全帧数据，必须跟踪每帧返回的每个像素的时间戳。如果高速车辆在该帧内移动，还要使用该信息来校正运动模糊。

传统方法扫描的不是所需视场，必须将激光光点移到整个视场以实现全覆盖。这会导致射程、分辨率、帧速率和视野之间的取舍，还增加了系统复杂性和昂贵的光学元件，在装配过程中需要繁琐的校准。因此，它高成本传感器的方案，还存在许多潜在故障点。

传统技术是依赖低效的边缘发射激光二极管或高成本光纤激光器，Sense的晶圆级制造的垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列可将每个芯片尺寸缩小到小于头发丝的宽度。其闪光架构无需在发射器与接收器之间进行精细对准，可在振动条件下保持传感器校准和深度精度。只需简单改变光学器件就能按需调节平台，是第一款能够以同一架构提供短距离和长距离功能的平台。

看看这些阵列是怎么构建的，首先在晶圆上生长数百万个VCSEL，然后使用微转移打印（MTP）专利技术在热传导柔性基板上一次“印刷”数千个VCSEL，能够输出千瓦的峰值光功率，同时保持Class 1眼睛安全，消耗平均功率非常小。

Illuminator还具有独特灵活属性，可通过控制其弯曲量来定制水平视野。阵列上每个芯片工作波长为940nm，其太阳通量输出非常小，可消除来阳光干扰。

据介绍，一些主机厂和Tier 1正在评估Sense的系统，预计2021年中可以上市，2024年底开始量产，估计产品成本为数百美元。

今年5月，长城汽车开始搭载ibeoNEXT固态激光雷达，其核心组成部分特定光源VCSEL是艾迈斯半导体的技术。128×80的VCSEL阵列（10240个）利用闪光平行生成垂直线扫描，由光学透镜组件调整视野和范围，最长距离250米，涵盖狭窄的12度水平视野，最宽视场为60度。

专门优化的VCSEL阵列具备出色的功率密度、转换效率和间距。通过集成功能性安全标准提供增强功能和护眼功能，实现高可靠性。VCSEL为布局设计留有极大的灵活性，包括像素大小、尺寸和间距，以及特定的可寻址功能。

据介绍，在扫描式和泛光面阵式激光雷达应用中，大功率VCSEL不易受单个发射器故障的影响，在工作温度范围内更加稳定，且易于集成。

艾迈斯半导体的VCSEL比其他类型光源具有特殊优势，其较窄的波长带宽（特别是温度）可在接收器处进行更有效滤波，提高信噪比。由于发射的是垂直圆柱形光束，集成到系统中更加简单。VCSEL阵列通常由50-10k单个发射器组成，与只有1-3个发射器的典型EEL（边缘发射器）相比，单个发射器故障的影响非常有限。

他承认，由于激光雷达是一项新兴技术，其成熟度、成本和体积仍有待改进，但VCSEL组合有助于客户在三个方面实现阶跃功能改进。

与其他类型激光器相比，VCSEL有许多优点：

• 表面发射（非边缘发射），在可寻址阵列中提供设计灵活性

• 解决激光波长的低温依赖性

• 优异的可靠性

• 晶圆级制造工艺

艾迈斯半导体VCSEL技术包括外延结构和芯片设计、外延生长、前端和后端处理、封装以及高级测试和模拟。

艾迈斯半导体采用dToF感测技术，利用光源和接收器进行远程目标探测和测距，计算发送和接收的光脉冲之间的时间即可得出距离。这方面与安森美半导体的方案相仿。

dToF传感器基于SPAD像素设计和具有极窄脉冲宽度的时间数字转换转换器（TDC），实时测量VCSEL发射并从物体反射的红外射线的飞行时间。低功耗飞行时间传感技术有助于主机系统精确、高速地测量距离。

艾迈斯半导体还开发了一种复杂直方图数据和智能软件算法，可以使ToF传感器检测并抵消覆盖玻璃反射的影响，包括污渍引起的串扰，也可以容纳较大的气隙；可以独立于对象颜色、反射率和纹理实现精确距离检测；还可以测量视野中多个物体间的距离。

虽然这几家公司在激光照射模式方面各有千秋，但接收器芯片技术方面如出一辙，都采用了SPAD；安森美半导体和艾迈斯半导体都用红外技术和dToF测距；而Sense和艾迈斯半导体又不约而同采用了VCSEL；三家公司都采用面阵闪光；只有SiPM是个唯一，那就是安森美半导体。值得一提的是，安森美半导体的激光雷达探测器单点、线阵和面阵都有，客户可以各取所需。