雷鋒網(wǎng)按：2007 年 11 月 3 日，6 輛汽車創(chuàng)造了歷史，它們成功地在模擬城市環(huán)境的測試場完成了自動駕駛測試，全程都沒有違反加州的交通法規(guī)。值得一提的是，這 6 輛車?yán)?，?5 輛都搭載了新型激光雷達(dá)傳感器，而提供該設(shè)備的就是 Velodyne，不過當(dāng)年的它可是一家音頻設(shè)備制造商。

10 年之后，Velodyne 還在延續(xù)著傳奇，它的產(chǎn)品依然是自動駕駛汽車的核心部件。不過有一點沒改變的是——激光雷達(dá)的價格，它只是從非常貴變成了相當(dāng)貴，離平民化的目標(biāo)還有很遠(yuǎn)一段距離。

因此，Velodyne 和大批新崛起的激光雷達(dá)新創(chuàng)公司現(xiàn)在的主要目標(biāo)就是改變這個尷尬的局面。

在本文中，我們將對激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行一次深入剖析。除了激光雷達(dá)的工作原理，本文還會講解它所面臨的挑戰(zhàn)，畢竟想滿足自動駕駛汽車的商用要求可不容易。

一些專家相信，打造出一臺售價低廉的激光雷達(dá)最關(guān)鍵就是將傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式機(jī)械設(shè)計換成固態(tài)設(shè)計，這樣能大量減少可移動部件，激光雷達(dá)不但結(jié)構(gòu)和量產(chǎn)簡單了，成本也低了。話雖如此，但沒人知道要打造一臺成本低廉的車用級別激光雷達(dá)還要花多長時間。

值得欣慰的是，所有專家都對此報積極態(tài)度。為此，他們還舉了大量技術(shù)進(jìn)步的例子，如計算器和防抱死系統(tǒng)，它們的售價都從高不可攀變得非常便宜，靠的就是大規(guī)模量產(chǎn)。顯然，激光雷達(dá)也會重復(fù)相同的路徑，也就是說，激光雷達(dá)的價格不會成為阻礙自動駕駛汽車普及的絆腳石。

生不逢時的激光雷達(dá)急先鋒

*Velodyne 的 64 線激光雷達(dá)為自動駕駛汽車帶來了曙光

上世紀(jì) 60 年代起，科學(xué)家們就開始用激光進(jìn)行測距。當(dāng)時麻省理工學(xué)院的一個團(tuán)隊就用激光測出了地球與月球之間的距離。不過，說到車載激光雷達(dá)技術(shù)，就不得不提 Velodyne 的發(fā)明家 David Hall。

21 世紀(jì)初的 Hall 是 Velodyne 公司的 CEO（也是創(chuàng)始人），當(dāng)時這家公司主營音頻設(shè)備。但私底下， Hall 是個不折不扣的機(jī)器人發(fā)燒友。

“我們的團(tuán)隊當(dāng)時登上了 BattleBots 和 Robot Wars 比賽（均為機(jī)器人比賽）的舞臺，借口是替 Velodyne 的音響做宣傳。”Hall 在接受《連線》雜志的采訪時說。

因此，當(dāng)孕育了互聯(lián)網(wǎng)的 DARPA（國防部高級研究計劃局）又鼓搗出一個名為 Grand Challenge 的自動駕駛汽車比賽時，Hall 決定要參與其中。

在 2004 年的比賽中，Hall 和自己的親兄弟一起“上了戰(zhàn)場”，他們參賽的卡車安裝了兩顆攝像頭。不過，這樣簡陋的配置可不能幫助他們獲勝，甚至是完成比賽。可惜，當(dāng)年那次比賽沒有一輛車能笑到最后。

一年后的第二屆比賽中，Hall 兩兄弟拋棄了攝像頭方案，轉(zhuǎn)而用起了激光雷達(dá)。其他團(tuán)隊也換上了激光雷達(dá)，不過當(dāng)時市場上的產(chǎn)品還相當(dāng)原始。

那時候，最受歡迎的激光雷達(dá)是 SICK LMS-291，它只是一套 2D 激光雷達(dá)系統(tǒng)，也就是說它“視力”達(dá)不到 2.0，只能“看清”世界的一部分。

這套系統(tǒng)能幫賽車探測到類似墻和樹這樣豎立在地面的障礙物，不過如果遭遇到形狀不規(guī)則的障礙物，如荒廢的鐵道，它還是會不知所措。此外，這套系統(tǒng)只能探測，不能識別，它不知道自己面前的是行人還是路標(biāo)。

SICK LMS-291 的點云圖（右）和 Velodyne 激光雷達(dá)的對比（左）

為了爭取勝利，Hall 兄弟倆直接開發(fā)了新型激光雷達(dá)，他們將一臺 64 線激光發(fā)射器安裝在可以 360 度旋轉(zhuǎn)的萬向節(jié)上。這樣一來，整套系統(tǒng)就能采集到真正的 3D 圖像。

可惜的是，他們的賽車未能贏得當(dāng)年的比賽，不過 Hall 兄弟倆開發(fā)的這套激光雷達(dá)卻吸引了其它團(tuán)隊的注意力。在第三和第四屆（最后一屆）比賽中，Hall 成了激光雷達(dá)供應(yīng)商。最后一屆比賽中，6 輛完賽車輛中有 5 輛都用了 Velodyne 的激光雷達(dá)。

為什么對自動駕駛汽車來說激光雷達(dá)至關(guān)重要？

Uber 測試車用的還是旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)

在那之后，Velodyne 順理成章升級為激光雷達(dá)市場的統(tǒng)治者。谷歌搜羅了大量當(dāng)年挑戰(zhàn)賽的參與者創(chuàng)建自動駕駛部門后，就用上了 Velodyne 的激光雷達(dá)，其他參與自動駕駛開發(fā)的公司也無一例外成了 Velodyne 產(chǎn)品的買主。

眼下，大多數(shù)自動駕駛汽車都會搭載三類傳感器：攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)。不過每個類型的傳感器都有自己的“長矛”和“軟肋”。

舉例來說，攝像頭能捕捉高清晰度的彩色照片，但它沒有測距能力，在測量遠(yuǎn)距離物體的速度上也差點意思。

雷達(dá)測距和測速能力都不錯，最近幾年其成本也在不斷走低。“當(dāng)物體離車輛較近時，雷達(dá)效果確實不錯。”休斯頓大學(xué)雷達(dá)專家 Craig Glennie 解釋。“不過由于它使用的是無線電波，因此在遠(yuǎn)距離情況下雷達(dá)細(xì)節(jié)不足。”

激光雷達(dá)則兼顧了上述兩款傳感器的優(yōu)勢。與雷達(dá)一樣，激光雷達(dá)測距能力非常強悍，有些激光雷達(dá)也有測速能力。同時，其分辨率也比雷達(dá)要高，這就意味著它能偵測到更小的物體，并且分辨出這些物體是行人、摩托車或是垃圾堆。

與攝像頭不同的是，激光雷達(dá)在任何光線條件下效果都不錯。

當(dāng)然，激光雷達(dá)也不是完美的，它最大的槽點就是昂貴的價格。當(dāng)時用在賽車上的 Velodyne 64 線激光雷達(dá)價格高達(dá) 7.5 萬美元。直到近一兩年，它則開發(fā)出了體積更小、價格更便宜的 32 線和 16 線產(chǎn)品，不過最低價格也得 7999 美元。去年年末，Velodyne 還推出了全新 128 線激光雷達(dá)，雖然性能異常強悍，但 Hall 也對這款激光雷達(dá)的價格三緘其口。

去年，Velodyne 宣稱拿到了福特的大單，它要開發(fā)一款新型固態(tài)激光雷達(dá)，一旦進(jìn)入大規(guī)模量產(chǎn)，價格能拉低到 500 美元以下。不過，Velodyne 并未公布福特詳細(xì)的采購量和采購價格，至于這款固態(tài)激光雷達(dá)何時進(jìn)入量產(chǎn)，現(xiàn)在還是未知數(shù)。

現(xiàn)在的 Velodyne 可一步也不能停歇，因為激光雷達(dá)市場的競爭實在太激烈了。

固態(tài)激光雷達(dá)的崛起

對汽車制造商來說，零部件當(dāng)然越耐用越好，因此帶有各種活動部件的激光雷達(dá)肯定在可靠性和價格上無法做到盡善盡美，比如 Velodyne 的旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)。

鑒于這種原因，很多專家相信，激光雷達(dá)想進(jìn)軍主流市場就必須切換成固態(tài)設(shè)計，不過這就需要新的裝置將激光發(fā)射到不同方向以覆蓋車輛周邊環(huán)境。

眼下，研究人員拿出了三種主要的固態(tài)激光雷達(dá)解決方案：

第一種是基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），整套系統(tǒng)只需一個很小的反射鏡就能引導(dǎo)固定的激光束射向不同方向。由于反射鏡很小，因此其慣性力矩并不大，可以快速移動，速度快到可以在不到一秒時間里跟蹤到 2D 掃描模式。

現(xiàn)在研發(fā) MEMS 激光雷達(dá)的主要有 Luminar 和 Innoviz 兩家公司。此外，名為 Infineon 的激光雷達(dá)公司最近收購了 Innoluce，后者就是一家 MEMS 激光雷達(dá)新創(chuàng)公司。去年 10 月，國產(chǎn)激光雷達(dá)廠商速騰聚創(chuàng)公布了固態(tài)激光雷達(dá) MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）和 OPA （相控陣）固態(tài)激光雷達(dá)最新研發(fā)進(jìn)展。

MEMS 激光雷達(dá)的一大優(yōu)勢是傳感器可以動態(tài)調(diào)整自己的掃描模式，以此來聚焦特殊物體，采集更遠(yuǎn)更小物體的細(xì)節(jié)信息并對其進(jìn)行識別，這是傳統(tǒng)機(jī)械激光雷達(dá)無法實現(xiàn)的。

第二種激光雷達(dá)采用相控陣設(shè)計，它搭載的一排發(fā)射器可以通過調(diào)整信號的相對相位來改變激光束的發(fā)射方向。如果發(fā)射器同步發(fā)射激光，激光則會射向同一個方向。不過，如果左側(cè)發(fā)射器相位處在右側(cè)之后，激光則會發(fā)射向左邊，向右發(fā)射同理。

相控陣 LiDAR 工作原理

雖然原理簡單易懂，但大多數(shù)相控陣激光雷達(dá)現(xiàn)在依然待在實驗室里。Efficient Power Converter 公司 CEO Alex Lidow 表示：“我不得不說，相控陣激光雷達(dá)屬于未來，現(xiàn)在我們還停留在旋轉(zhuǎn)式或 MEMS 激光雷達(dá)的時代，前者更是處于統(tǒng)治地位。”

說到相控陣激光雷達(dá)，就不得不提 Quanergy，這家新創(chuàng)公司是 Strobe 公司的關(guān)鍵技術(shù)顧問，而去年 10 月份，Strobe 被通用收歸門下，因此通用可能也在攻關(guān)這項技術(shù)。

第三種是 Flash LiDAR，它運行起來更像攝像頭。激光束會直接向各個方向漫射，因此只要一次快閃就能照亮整個場景。隨后，系統(tǒng)會利用微型傳感器陣列采集不同方向反射回來的激光束。

Flash LiDAR 的一大優(yōu)勢是它能快速記錄整個場景，避免了掃描過程中目標(biāo)或激光雷達(dá)移動帶來的各種麻煩。不過，這種方式也有自己的缺陷。

“像素越大，你要處理的信號就越多。將海量像素塞進(jìn)光電探測器，必然會帶來各種干擾，其結(jié)果就是精度的下降。”卡耐基梅隆大學(xué)機(jī)器人專家 Sanjiv Singh 解釋。

當(dāng)然，如果你對固態(tài)激光雷達(dá)有更多興趣，2018 年 1 月 16 日，雷鋒網(wǎng)新智駕將在硅谷舉辦 GAIR 硅谷智能駕駛峰會，我們邀請了重磅嘉賓如全球頂級的激光雷達(dá)公司 Velodyne CTO Anand Gopalan 進(jìn)行主題演講。他是 Velodyne 固態(tài)化與 ASIC 研發(fā)背后的“關(guān)鍵先生”。

探測距離是車載激光雷達(dá)的一大局限

簡而言之，F(xiàn)lash LiDAR 沒有“遠(yuǎn)視眼”，在實際使用中不適合遠(yuǎn)程探測，而業(yè)內(nèi)專家堅信，全自動駕駛汽車上搭載的激光雷達(dá)至少一眼就得看到 200 到 300 米外的物體。

現(xiàn)任福特公司高管的 Jim McBride 2005 年時也組織了一支隊伍參加 DARPA 的自動駕駛大賽，在接受采訪時他解釋了專家們做出這一判斷的原因。

McBride 先假設(shè)了一個場景，即自動駕駛汽車想在進(jìn)入高速時匯入車流。“當(dāng)時的車流至少有 100 km/h，也就是說車每秒就能跑 30 米。這樣的情況下，大多數(shù)車至少要花 6-10 秒鐘才能提升至 100 km/h，因此它們必須能在這一時間里看到自己周邊車輛的情況，即離自己 180-300 米的車輛。”

對任何激光雷達(dá)系統(tǒng)來說，向 300 米外發(fā)射激光并探測其反射信號并不容易。各大制造商也使出吃奶的勁找了一些增加激光雷達(dá)探測距離的方法。

如今，大多數(shù)激光雷達(dá)傳感器的激光都處在近紅外范圍內(nèi)，一般廠家都會選擇 905 納米這一波長。不過，它比較接近可見光的波長（紅光波長約為 780 納米），而激光會損害人眼，燒壞視網(wǎng)膜上的光敏探測細(xì)胞，因此 905 納米激光的功率受到嚴(yán)格限制。

為了避免傷害人眼，研發(fā)人員決定換用另一種波長的激光。舉例來說，Luminar 公司就開發(fā)了使用 1550 納米激光的激光雷達(dá)。由于它大大超越了可見光的范圍，因此對人眼來說要安全得多。

解決了安全問題，1550 納米激光雷達(dá)的功率就能大幅提升。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，研究人員將激光雷達(dá)功率提升了 40 倍，它探測遠(yuǎn)程激光信號的難度低多了。不過有得必有失，1550 納米激光和探測器很貴，因為它們制造時需要更多特殊材料。

除了提升激光功率，我們還能通過增強探測器敏感度來擴(kuò)展激光雷達(dá)探測距離。被福特高價收歸門下的 Argo AI 去年收購了 Princeton Lightwave——一家用高敏感度探測器（單光子雪崩二極管）制作激光雷達(dá) 的公司。這種探測器相當(dāng)敏感，適合頻率中一個光子就能將其激活。

同時，這些高度敏感的探測器也不新鮮，在軍事和勘探領(lǐng)域已經(jīng)使用多年了。去年，Princeton 就表示要將該技術(shù)引入汽車市場。

飛行時間（TOF）vs 連續(xù)波調(diào)頻

在開發(fā)新一代激光雷達(dá)時，廠商們還面臨第三種設(shè)計上的新選擇，即如何測算時間和距離。大多數(shù)激光雷達(dá)直截了當(dāng)用了飛行時間的方法。它會發(fā)射一條非常短的脈沖，然后用超級精確的計時器來算出脈沖一去一回到底花了多少時間。

除了靠飛行時間來測算距離，一些廠商還開發(fā)了更為復(fù)雜的方法，并將其命名為連續(xù)波調(diào)頻（CWFM）。從命名就可看出，這種方法會向目標(biāo)發(fā)射連續(xù)的激光束，該光束會分成兩道光束，一道會飛向目標(biāo)并反射回來，在飛行途中則會與另一道光束重組。

從激光雷達(dá)發(fā)射出的激光束頻率會穩(wěn)定增長，而從它分出來的兩道光束則飛行了不同的距離，重新結(jié)合后頻率會有所差別。這就生成了一個有差頻的干涉圖樣，研發(fā)人員能從中得出第一道光束的飛行距離。

這種方式有多個優(yōu)點。首先，“連續(xù)波調(diào)頻激光雷達(dá)根本不怕背景光的影響。”美國軍火巨頭洛馬公司的 Paul Suni 解釋。“傳統(tǒng)的飛行時間激光雷達(dá)一旦遇到同頻率的其它光源，可能就會不知所措。”同時，CWFM 系統(tǒng)更為靈敏，即使面對強烈的眩光，也能正常工作。

這一點相當(dāng)重要，因為未來自動駕駛汽車普遍會搭載多顆激光雷達(dá)傳感器，有大量激光在空中飛來飛去，傳統(tǒng)的飛行時間激光雷達(dá)肯定會受到干擾。

CWFM 還有個大優(yōu)點，即可以將探測物體的距離和速度一網(wǎng)打盡。對此，Suni 解釋稱：“如果你的傳感器和路上的車輛間發(fā)生了相對運動，那么信號就會發(fā)生多普勒頻移。如果你只測量一個頻率，就會出問題。”與其相比，CWFM 激光雷達(dá)會對不斷增長和不斷降低的兩個頻率進(jìn)行測定。通過計算，距離和速度問題就能迎刃而解。

眼下，在進(jìn)行 CWFM 激光雷達(dá)技術(shù)攻關(guān)的是一家名為 Aeda 的新創(chuàng)公司，《紐約時報》還專門進(jìn)行了報道。此外，上述提到的 Strobe 可能也在進(jìn)行類似研發(fā)。

低價激光雷達(dá)在路上了？

*磷化銦晶圓

激光雷達(dá)到底如何設(shè)計，恐怕各家公司已經(jīng)嘗試了各種可能的方案，但就連專家也不敢斷言到底哪種設(shè)計能笑到最后。不過，所有人都信心滿滿地表示，未來幾年激光雷達(dá)將迎來大降價。

歷史無數(shù)次的告訴我們，原本高不可攀的產(chǎn)品，最終都會飛入尋常百姓家，前提是進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。

Lidow 認(rèn)為激光雷達(dá)會重復(fù)當(dāng)年 ABS 的普及路線。“1979 年時，我就在通用開發(fā) ABS。”Lidow 說。“當(dāng)時，這套系統(tǒng)裝下來要 8000 美元，對消費市場來說實在太貴。不過，航空公司買得起。隨著 ABS 系統(tǒng)價格不斷下滑，連大卡車也享受到了這項新技術(shù)。別忘了，卡車可是有 18 個輪子。

幾十年后的今天，一套 ABS 硬件價格才 20 美元。

“我親眼見證了這場技術(shù)進(jìn)化。”Lidow 補充道。“汽車公司恨不得省下一切不必要的成本，而激光雷達(dá)系統(tǒng)并不比當(dāng)年的 ABS 系統(tǒng)復(fù)雜。”

Lidow 大膽預(yù)測稱，未來激光雷達(dá)傳感器價格可能會降到 10 美元級別。

卡耐基梅隆的 Singh 也認(rèn)為激光雷達(dá)大降價就在眼前。“計算器剛剛誕生時也賣 1000 美元一臺。隨著產(chǎn)量的提升，價格開始逐漸下滑，人們將各種零部件融合在了一塊芯片上。”

激光雷達(dá)行業(yè)里，這樣的故事也在發(fā)生，研究人員試圖將所有的傳感器零部件塞進(jìn)一塊芯片。

“我們的激光雷達(dá)芯片來自 300 毫米晶元，如果能達(dá)到年產(chǎn)百萬級別，其生產(chǎn)成本就能降到 10 美元。”麻省理工研究人員 Chris Poulton 和 Michael Watts 在一篇論文中寫道。這種芯片用了光學(xué)相控陣技術(shù)，不需要機(jī)械零部件。

當(dāng)然，現(xiàn)在年產(chǎn)百萬的目標(biāo)很難實現(xiàn)，有分析師甚至警告稱，恐怕這樣的產(chǎn)品還得在實驗室多待幾年才能真正進(jìn)入消費市場。“所有公司都在試圖生產(chǎn)能替代 Velodyne 激光雷達(dá)的低售價固態(tài)產(chǎn)品，但恐怕沒那么容易。”

除了量產(chǎn)上的挑戰(zhàn)，固態(tài)激光雷達(dá)還有一個巨大的劣勢，那就是它相當(dāng)有限的視場。

福特的 McBride 表示，相控陣系統(tǒng)“最多只能看到 50 度的場景”，現(xiàn)在還沒人能突破這一瓶頸，而 MEMS 的視場也只有 30 到 60 度。

這就意味著，想替代現(xiàn)在的頂置旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)，至少要在車上安裝 6 到 12 個固態(tài)激光雷達(dá)，固態(tài)產(chǎn)品的價格優(yōu)勢便會蕩然無存。因此，現(xiàn)在就斷言機(jī)械激光雷達(dá)將死還為時尚早。“一個旋轉(zhuǎn)的圓盤可不貴，而且別忘了，車?yán)飼D(zhuǎn)的機(jī)械零部件也不少，它們使用數(shù)萬公里也沒什么問題。”Lidow 說。

不過，歷史的車輪滾滾向前，雖然想拉低激光雷達(dá)售價需要工程師的不斷努力，但這條路上并沒有什么難以克服的困難，因此高品質(zhì)激光雷達(dá)售價跌到 1000 甚至 100 美元都是有可能的。

這就意味著，自動駕駛汽車的售價最終能為普通消費者所接受。而在此之前，一臺激光雷達(dá) 7.5 萬美元的售價就足夠讓人望而卻步了。

眼下，大量資本正在注入激光雷達(dá)行業(yè)，為的就是開發(fā)出性能更強，價格更低廉的激光雷達(dá)產(chǎn)品。雖然現(xiàn)在我們無法預(yù)測激光雷達(dá)廉價化的那一天到底何時到來，但可以想見的是，原本是“天之驕子”售價高高在上的激光雷達(dá)會隨著時間的流逝變得越來越便宜，性能也會越來越好。

最后，如果你對激光雷達(dá)有更多興趣，2018 年 1 月 16 日，雷鋒網(wǎng)新智駕將在硅谷舉辦 GAIR 硅谷智能駕駛峰會，我們邀請了重磅嘉賓如全球頂級的激光雷達(dá)公司 Velodyne CTO Anand Gopalan 進(jìn)行主題演講。他是 Velodyne 固態(tài)化與 ASIC 研發(fā)背后的“關(guān)鍵先生”。