激光雷达第一股Luminar为何还没走上固态之路？

不管是去固态、准固态,还是Luminar的半固态激光雷达,要躲过资本市场的风险,必须经过量产落地的检验。

文︱立厷

图︱网络

业界的普遍共识:固态激光雷达是自动驾驶的未来。2020年底,95后Austin Russell在2012年创办的激光雷达公司Luminar市值达120亿美元,是老牌激光雷达厂家Velodyne的4倍左右,成为全球激光雷达第一股,让不喜欢激光雷达的特斯拉CEO埃隆·马斯克不快。令人不解的是,还没有走上固态这条路,媒体却以讹传讹说它是固态MEMS路线,其实它还是双轴转镜,顶多是个半固态。

媒体的误导

Luminar招股书:唯一可量产激光雷达

为什么那么多资本和厂商追捧,这样的公司风险在哪里呢?

靠技术还是靠资本?

2016年11月,2009年创立的以色列Oryx Vision就推出了满足自动驾驶应用的低成本新型相干光(coherent light)激光雷达系统,2017年又获5000万美元B轮融资。

Oryx的大多数员工都是物理学家、光学工程师以及天线工程师,其“高大上”的长波太赫兹红外激光器的光人眼不可见,功率更高,因此射程更远,信号更强。这种光还很难被水吸收,不会被云雾、强烈的阳光直射所干扰,消除了其他传感器的弊端。

但是,在打败传统激光雷达的量产战争开始不久,Oryx却已无以为继,2019年8月宣布关停。其直接竞争对手以色列激光雷达初创公司Innoviz Technologies却在同年6月完成了1．7亿美元的C轮融资。

成立更早的TetraVue专攻Flash激光雷达,欲统治自动驾驶业务,成立快10年的2017年终于吸引博世、三星、富士康千万美元入局,今天却等来了关门结局。

汽车行业需要满足严格的性能要求,以确保安全性和可靠性,同时还有工业化和经济性所需的可扩展性。技术再好,资本等不及也无法追随其走到最后。

还有一类公司,还没有量产产品,股票却已鸡犬升天,就像Luminar,资本市场认为:其激光雷达性能是目前最好的,期待上车的主机厂很多。

毋庸置疑,激光雷达对于解锁自动驾驶至关重要,毫不夸张,有成千上万种独特方法构建一个激光雷达传感器,其中数百个方法是合理的。所以,才有那么多刚起步的激光雷达公司声称自己的技术独一无二,但最终却在从研发到汽车量产的过程中应声倒下。

激光雷达成功的技术要素有哪些?

这些因素是Luminar产品总监Matt Weed博士列举的。他指出,设计激光雷达需要考虑波长、测距方法和场覆盖方法三个顶层因素,以满足一系列至关重要的要求。

至关重要的要求

波长

激光雷达工作波长决定了关键光电元件的半导体材料。波长对核心传感器的设计和生产至关重要,代表了安全性和易用性之间的权衡。较短的近可见红外波长(如905nm)对人眼危害大,即使不可见,能量仍会集中在视网膜上。

汽车激光雷达需要远距离测量物体,需要波长输出巨大的能量,同时保证眼睛安全。如果能达到IEC60825-1激光安全标准的Class 1(1550nm),就是最安全的级别。

测距法

激光雷达测距方法在于测量传感器每个像素的距离,通过不同方式,光被编码并发送到目标上,散射出目标传回传感器,由设备计算出所经过的距离(或时间)。像任何传感器一样,每个激光雷达距离测量的质量可以随信号的增加而提高,而激光雷达的性能受信号强度的影响很大。增加信号强度有三种方式:发射更多激光;增加测量时间收集更多的光;或平均多次测量收集更多的光。测距方法主要有几种:

①性飞行时间

飞行时间(ToF)是为点云中每个像素发送一个短脉冲,上百个同时返回的光子可提供瞬时高置信距离,实现低功耗的高测量率测量,立即了解反射率,且没有速度相关的射程误差。

②单光子探测(SPD)

与线性ToF类似,这种方法也使用短脉冲。不过,为了利用短波材料,使用了一种灵敏到可以探测单个光子的探测器。其折衷是不知道有多少光子返回,也不知道它们来自哪里。必须为每个像素捕获许多脉冲测量(大约100个),以解释太阳、前照灯和其他传感器的所有噪声中可能存在的真实目标。这项技术在高速汽车非受控和安全关键应用中,干扰敏感性和时延都不可接受。

③调频连续波(FMCW)

FMCW可有效地将传输的光能传播成连续(非脉冲)信号,当需要每秒100万次左右的测量来实现汽车激光雷达的感知目标时,这就是问题了。

场覆盖方法

场覆盖方法包括创建三维点云的传感器分布和光线收集,其测量质量(如角指向精度)与测距数据质量同等重要。场覆盖法有很多,常见的有闪光(flash),扫描和混合(hybrid)方法。

① 闪光

闪光激光雷达类似摄像头,为点云的每个像素分配一个探测器。这些架构通常在1100nm波长以下工作,波长越长探测器阵列成本越高。当整个场景同时被照亮时,可有效地将整个帧的激光能量打包成单个脉冲。除了检测范围较小,其每帧都是固定像素和固定点模式。这意味着传感器必须缩小整个视野,以在中心实现更高的点密度,实际上忽略了大部分道路。这种架构在不受控环境会出现故障模式:

环境光(如阳光)下性能降低;

光串扰引起的明亮目标(如交通标志)几何伪影;

光学串扰引起遮蔽物(如雪)产生几何伪影;

激光雷达干扰(普通场景和直接视线)。

解决这些故障模式会进一步降低实际射程和分辨率,使闪光模式不适合公路驾驶。

② 闪光/扫描混合

一个维度是闪光,另一个维度以某种方式扫描,通常会在一个维度上遇到闪光的缺点。1D闪光最常见示例是3D激光雷达市场先驱使用的旋转台一维扫描架构,需要在成本与性能之间取舍,这就削弱了供应商利用多市场容量改善成本的能力。

③ 扫描

扫描激光雷达是以某种方式移动传感器视野周围的光线。人们希望尽量减少激光雷达中的运动部件,因为运动物体往往比静止物体更容易发生故障。许多激光雷达结构声称是固态的,没有运动部件,但仔细观察,其运动部件很脆弱。

-MEMS:即微机电系统驱动微型扫描镜,扫描部分容易出现故障、制造不一致和环境不稳定。不稳定的扫描仪在振动和冲击时角度保真度较差,在实际驾驶时往往发生大量问题。(这就要看是半导体工艺制造的MEMS扫描镜稳定,还是采用比较传统方法制造的双轴扫描镜可靠了——作者)

-硅光子:当把光耦合到自由空间世界时,光相控阵和集成到光波电路中的类似方法很难实现。虽然这些器件是真正的固态扫描,但其效率很低(系统损失约75%的光),而且提供的光束组织不良,导致整个场景中的假阳性检测率极高。此外,热稳定性存在问题,因为这些器件中有许多是通过对材料光学特性的局部热控制来实现的。(以下介绍的真正全固态激光雷达就是这种类型——作者)

-扫描镜:质量越小鲁棒性越好,为满足苛刻的汽车要求,低质量电动扫描镜是迄今为止最具光学效率和鲁棒性的扫描选择。(MEMS驱动微镜是当今最小、质量最轻的扫描镜——作者)

在科技领域,技术是死的,人是活的,何况还有技术整合呢。而在资本市场,更是什么都有可能发生!

真正全固态激光雷达是这样的

Yole光子与传感研究员Pierrick Boulay说:“类似很多市场,激光雷达技术路线正在逐渐向数字化发展,虽然会花一些时间,但结果通常都一样:传统产品创造市场,数字化产品最终将主导市场。”

5月中旬,美国初创公司Ouster宣布,国内特殊区域无人驾驶方案及运营商踏歌智行无人矿卡搭载其已量产OS1激光雷达。另外,新产品ES2首批样品将于2022年交付,计划于2024年量产,车规量产项目初始价格为600美元,最终有望降至100美元。到目前为止,Ouster已累计融资超过1．4亿美元,已赢得全球800多个客户。不过,其股票在经历了2020年疯狂后也是一路下跌。

ES2固态激光雷达仍沿用OS1成功验证的独有数字架构,是为市场上第一款全固态、高分辨率、长距离数字激光雷达,探测距离超过200m。

Ouster CEO兼联合创始人Angus Pacala说:“为什么说数字激光雷达是未来?2015年公司成立,就是为了设计市场需要的高性能、可靠且价格可接受的传感器。激光雷达的长期赢家需要做的不仅是满足客户当前需求,还要满足其未来需求,需要不断稳步提高性能,降低成本。这也是我们研发数字激光雷达技术的初衷。”

激光雷达行业是一个日趋成熟且不断变化的行业,市场对性能和成本的要求不断提高。全固态激光雷达就是在这样的环境下出现的。Ouster自研的基于CMOS工艺的单光子雪崩二极管(SPAD)传感器芯片可确保数字激光雷达的性能在未来很多年内稳步提升。

ES2通过“电子扫描”方式依次从集成在单芯片上一万多个激光器发射单光子。激光器与定制数字探测器阵列匹配,每秒能够计数万亿个单光子。因此,ES2不需要任何移动部件就可以实现客户对测距、视场角和分辨率的要求。ES2的激光器和探测器阵列核心技术与OS系列旋转式激光雷达相同,也与iPhone和iPad Pro等消费类设备一致。

看看ES2的一些特性:

极简的架构:不同于传统激光雷达内部有上千个零部件,专为长、中、短距应用设计的Ouster数字激光雷达内只有一个VCSEL(垂直腔面发射)激光器芯片和一个SPAD传感器芯片,大大降低了价格,提高了性能和可靠性。

两块芯片+两片透镜取代透镜模组

专为量产设计:ES2与OS系列激光雷达共享86%的零部件,降低了技术和生产风险,有助于实现大批量生产。

满足自动驾驶要求:200m+(10%反射率)探测距离,工作寿命100,000小时,有助于实现ADAS,易于集成。

固件更新:任何型号的激光雷达均可更新固件。

车规级别:ES2比目前市场上很多“半固态”激光雷达结构更简单、更可靠,满足甚至超过车规要求。

最严格的行业标准:ES2通过了网络安全、冲击及振动、热循环、防护等级等测试认证,其中包括ISO 26262(ASIL-B)、SIL-2和ASPICE。

量产一致性:ES2和OS系列所使用的数字部件均来自消费电子设备供应链,两类产品生产线一致,这也是其独有优势之一。原有OS系列旋转式激光雷达的制造、校准和验证均已实现规模化运行,ES2将直接在Ouster海外制造工厂中一条已运行量产线上生产。