與其他技術(shù)一樣，自動駕駛技術(shù)最早也是美國軍方的自留地。初期的自動駕駛軍用卡車車頂就像安裝著幾個不斷旋轉(zhuǎn)的“咖啡罐”?？突仿〈髮W(xué)設(shè)計的自動駕駛悍馬更是像頭頂一個巨型的“乒乓球”。
要說脫離現(xiàn)有設(shè)計框架的產(chǎn)品，還得提起已經(jīng)退役的谷歌“螢火蟲”測試車，它造型憨態(tài)可掬，頭頂一個看起來像警笛的傳感器。如果你不了解它，恐怕會覺得這是世界上最可愛的警車。
雖然車頂佩戴的“裝飾品”形態(tài)各異，但上述提到的三個例子都殊途同歸，因為無論是咖啡罐、乒乓球還是警笛，其實都是激光雷達。
激光雷達會向四周發(fā)射激光，每秒生成 30 萬個數(shù)據(jù)點，如果沒有它，自動駕駛汽車如同一個盲人。
從現(xiàn)在的情況來看，自動駕駛汽車可謂是“成也激光雷達，敗也激光雷達”。雖然激光雷達是自動駕駛汽車的“眼睛”，但單個售價卻高達 7.5 萬美元，比車的價格都貴。而且別忘了，這個傳感器只是自動駕駛這盤大餐中的其中一個“調(diào)料”罷了。
不過，這樣的尷尬局面正在被一點點打破，固態(tài)激光雷達開始站上歷史舞臺。
據(jù)新智駕了解，固態(tài)激光雷達取消了移動部件，價格大幅下降，而且還能讓自動駕駛汽車“視力”tigao 。也就是說，固態(tài)激光雷達正在為第一批買得起的自動駕駛汽車的而用戶趟出一條路。
接下來，我們就對固態(tài)激光雷達進行一次深度的追根溯源。
激光雷達的工作原理
激光雷達這個詞其實是“light”（光）和“radar”（雷達）兩個詞組成的，也就是說它也是雷達的一種，不過工作時靠的不是電波，而是激光。
雷達主要接收物體表面反射回來的無線電波脈沖，以決定物體和自己的相對方位（靠電波脈沖的返回時間）。激光雷達的工作原理與雷達大致相似，不過接收的卻是激光脈沖。
只要向周邊發(fā)射出足夠的激光，就能得出周圍世界的三維“點云”圖像。對人來說，三維“點云”圖像看起來像是藝術(shù)創(chuàng)作，但對自動駕駛汽車來說，它是自動駕駛汽車了解周圍世界的可靠線索。
正如行業(yè)內(nèi)大部分人的看法：“想搭建一個自動駕駛系統(tǒng)，攝像頭、雷達和激光雷達一個都不能少。”雖然自動駕駛汽車搭載了激光雷達、毫米波雷達和攝像頭等傳感器，但定位這個關(guān)鍵功能主要還是靠激光雷達：車輛不僅要識別出自己在地圖上的位置，而且精確度還必須非常高。
說起定位，一般人會第一個想到 GPS。但在精度上，GPS 并不如激光雷達。前者的精度只能控制在直徑為 4.8 米的圓內(nèi)，而激光雷達能將精度控制在 10 厘米內(nèi)。
眼下，除了特斯拉 CEO Elon Musk，幾乎所有行業(yè)內(nèi)的專家都相信，激光雷達是實現(xiàn) Level 4/5 自動駕駛的必要條件。
雖然現(xiàn)在的激光雷達售價昂貴，但與其他技術(shù)一樣，“時間是最好的砍價機器”。但一個必須面臨的現(xiàn)實問題是：如果繼續(xù)使用老式的機械激光雷達，這句話并不能成為真理，畢竟各種活動和旋轉(zhuǎn)部件的設(shè)計讓此類產(chǎn)品很難大幅降價，體積和性能更是無法滿足市場要求。
還好，研究人員找到了固態(tài)激光雷達解決方案，自動駕駛汽車的未來再次變得一片光明。
歡迎來到固態(tài)激光雷達時代
固態(tài)電子學(xué)的誕生已經(jīng)改變了我們的生活方式，從看時間到聽音樂都有它的影響。
如果要打個比方，可以想想十幾年前的 CD 機，進入固態(tài)時代后，我們聽歌都換成了手機。雖然聽音樂這個動作沒有變，但現(xiàn)在的手機放在振動器上也能放音樂，而 CD 機恐怕不行，這就是固態(tài)存儲的功勞，激光雷達也正在朝這個方向前進。
傳統(tǒng)的機械激光雷達就像老式 CD 機，它們體積巨大而且價格昂貴，固態(tài)激光雷達則能完美解決機械激光雷達的兩大問題。
不過，激光雷達的固態(tài)化可不是說說那么容易，如何在不移動鏡頭或反光鏡的情況下讓激光散射出去？如何將激光雷達做成固態(tài)？還好，工程師們想出了許多有效的辦法。
第一種叫做 Flash LiDAR。只要有光源，就能用脈沖一次覆蓋整個視場。隨后再用飛行時間（ToF）方法接收相關(guān)數(shù)據(jù)并繪制出激光雷達周圍的圖像。簡單來說，這就是一個能看到距離卻識別不了色彩的相機。
不過，這種方案在操作中會遇到一些小障礙。
首先，要想看得夠遠，激光器的功率就得足夠大，這就意味著價格上漲。其次，激光的功率必須有所控制，否則會傷害人類的視網(wǎng)膜，而功率不夠探測距離就上不去。
當然，傷害視網(wǎng)膜的問題并非無法解決，用人眼不可見的特殊波段就行。但這樣的解決方案還是會引起產(chǎn)品成本上漲，因為廉價的硅成像儀捕捉不到這種較為安全的頻譜。想達成設(shè)計效果就得換砷化鎵成像儀，整套系統(tǒng)下來恐怕得要 20 萬美元。
還好，F(xiàn)lash LiDAR 并非固激光雷達的唯一解決方案。業(yè)內(nèi)還出現(xiàn)了另一種方案，即 MEMS（微電子機械系統(tǒng)）技術(shù)。
顧名思義，MEMS 系統(tǒng)中也有活動部件，因此它只能算半固態(tài)激光雷達。不過，它也身材小巧，而且在技術(shù)上相對傳統(tǒng)機械激光雷達有了較大進步。
其結(jié)構(gòu)相當簡單，只要一束激光和一塊反光鏡。具體來說，激光射向這塊類似陀螺一樣旋轉(zhuǎn)的反光鏡就行，反光鏡通過轉(zhuǎn)動，可以實現(xiàn)對激光方向的控制。
當然，這個難度在于，如何保證整套系統(tǒng)實現(xiàn)完美協(xié)同。因為旋轉(zhuǎn)的反光鏡可能會受到?jīng)_擊和振動的影響，而這在汽車上幾乎是家常便飯。
有業(yè)內(nèi)人士指出，“MEMS 反光鏡可能會出現(xiàn)漂移失準。當氣溫發(fā)生較大變化時，整套系統(tǒng)就需要進行二次校準，實在是太麻煩。如果反光鏡卡住，就更麻煩了。”
此外，太陽光可能也會影響其工作效果。如果面向太陽，太陽光會反射進激光雷達，讓探測器進入飽和狀態(tài)，車輛就拿不到其他數(shù)據(jù)。
相控陣登場
在上世紀 90 年代拿到光電學(xué)博士后，Quanergy 的創(chuàng)始人兼 CEO Louay Eldada 就在潛心破解這個問題，并在固態(tài)激光雷達行業(yè)扮演領(lǐng)航者的角色。
Eldada 是哥倫比亞大學(xué)電子工程專業(yè)博士，專攻低成本、高精度激光雷達方向，創(chuàng)立 Quanergy 之前賣掉過 3 家創(chuàng)業(yè)公司。
Quanegy 成立于 2012 年。創(chuàng)立至今，共計拿到 1.6 億美金融資，估值一度超過 15 億美金，成為名副其實的激光雷達獨角獸。盡管 OPA 在業(yè)內(nèi)有諸多爭議，但不可否認的是，Quanergy 是第一個敢于吃螃蟹的激光雷達公司。
Quanergy 的競爭力和創(chuàng)新性來自三方面：激光相控陣（Optical Phased Array）、光學(xué)集成電路（Photonic IC）和遠場輻射（Far Field Radiation Pattern）。其中激光相控陣是實現(xiàn)「固態(tài)」的重要技術(shù)。與傳統(tǒng)機械掃描技術(shù)相比，激光相控陣掃描技術(shù)有掃描速度快、精度高、可能性好的優(yōu)勢。
Eldada 和自己的團隊決定向雷達取經(jīng)，畢竟它也算是激光雷達的“近親”。
結(jié)果顯示，曾經(jīng)的雷達也像激光雷達一樣旋轉(zhuǎn)，直到研發(fā)人員發(fā)明了相控陣技術(shù)。利用獨立天線同步形成的微陣列，相控陣可以向任何方向發(fā)送無線電波，完全省略了“旋轉(zhuǎn)”這一步驟——只需控制每個天線發(fā)送信號間的時機或陣列，工程師就能控制信號射向特定位置。
早在上世紀 50 年代，相控陣技術(shù)就被用在雷達中（現(xiàn)在最先進的戰(zhàn)斗機就在使用相控陣雷達），不過如何將這項技術(shù)用在激光雷達中卻是 Eldada 團隊最近才弄明白的。
“我們有大量的（100 萬個）光學(xué)天線原件。”Eldada 解釋。“它們可以基于各自間的相位關(guān)系形成一幅輻射方向圖，其尺寸和指向都是固定的。”
通過對這 100 萬個獨立發(fā)射器進行精確控制，Quanergy 只用硅就能操縱光。“干涉效應(yīng)決定了光的走向，而在機械式激光雷達上，鏡頭或反光鏡是決定項。”Eldada 解釋。
這種解決方案下，所有的機械激光雷達中的光學(xué)和機械結(jié)構(gòu)都消失不見，只需要芯片就夠了。眼下，Quanergy 的激光雷達會搭載多塊芯片，售價已經(jīng)降至 900 美元。不過，未來版本只需一塊芯片就能工作，售價也會跌至 100 美元以下。
固態(tài)化帶來的好處并不只是售價的降低。
“固態(tài)激光雷達的應(yīng)用還能讓用戶根據(jù)需求修改鏡頭的形狀以完成特定的變焦任務(wù)。這種能力可讓車輛實現(xiàn)跳躍式觀察，在駕駛員意識不到的情況下對場景進行識別，決定路上哪些物體值得詳細分析。”Eldada 解釋。
固態(tài)設(shè)備的使用壽命也是一大優(yōu)勢。
傳統(tǒng)的機械激光雷達的故障間隔時間在 1000 至 2000 小時左右，固激光雷達壽命就要長得多，Quanergy 稱自家產(chǎn)品用 10 萬小時沒有問題。
那么，三種固態(tài)激光雷達，到底哪個才是自動駕駛汽車的“Mr.Right”？
由于一時無法判斷這三種激光雷達到底誰更有前途，安波福干脆直接投資上述三種激光雷達方案：Quanergy、Leddartech 和 Innoviz。
三種激光雷達在視場、分辨率和探測距離上都有不同的權(quán)衡。因此，最終選擇哪款激光雷達還要看它的安裝位置和車輛對不同性能指標的需求。
舉例來說，安裝在側(cè)面的激光雷達可能不需要特別出色的探測距離，Tier 1 和 OEM 希望通過不同激光雷達組合實現(xiàn)成本和效能的最佳平衡。
想買自動駕駛汽車還得等多久？
1999 年時，捷豹推出了首款搭載巡航控制功能的車型——捷豹 XK。當時這款雙門轎跑售價高達 10 萬美元。負責(zé)實現(xiàn)該功能的雷達售價相當昂貴，有人甚至打趣的表示“這是買雷達送車”。
現(xiàn)在，購買一輛 18000 美元的卡羅拉就能用上這一功能。由此可以看到，激光雷達的學(xué)習(xí)曲線與當年的雷達類似。在固態(tài)激光雷達技術(shù)完全成熟并進入大眾市場前，自動駕駛汽車必然是富人的玩物。
*【圖片來源：technologyx】
Quanergy 900美元的固態(tài)激光雷達就是自動駕駛大眾化的重要推手，而 2019 年上市的 Fisker Emotion 將成為首款搭載該傳感器的車型，而且一裝就是 5 臺。
由于體型小巧，Quanergy 的激光雷達可以直接安裝在車輛的進氣口里，并用鍍鉻裝飾進行遮擋，完全不影響美觀，比原來頂著大鍋滿街跑的測試車好多了。
Eldada 相信，如果美國制造商愿意，我們最早 2020 年就能見到 Level 4 自動駕駛汽車上路。“2021、2022 年其他廠商也會跟進。2023 年，多數(shù)汽車廠商都會拿出自己的自動駕駛汽車。”
由于 Fisker 定價高達 13 萬美元，因此其角色就像當年的 XK，一臺昂貴的高科技先驅(qū)。最終，搭載固態(tài) 激光雷達的自動駕駛汽車會飛入尋常百姓家，它不再是奔馳 S 級或?qū)汃R 7 系的專屬，也就是說卡羅拉未來也會有自動駕駛功能。
另外，汽車只是固態(tài)激光雷達的首個“宿主”。“你會在其他設(shè)備上見到它的身影，比如可穿戴設(shè)備、消防員或士兵的頭盔等，固態(tài)激光雷達的應(yīng)用范圍幾乎是無限的。”Eldada 信心滿滿地表示。
2018 年 10 月 26 日 到 10 月 27 日，由蘇州高鐵新城管理委員會主辦，新智駕（微信公眾號：AI-Drive）、數(shù)域承辦、上海交通工程學(xué)會協(xié)辦的全球智能駕駛峰會將在蘇州相城舉行。
Louay Eldada 博士將在本次峰會進行演講，分享關(guān)于固態(tài)激光雷達更多技術(shù)突破以及 Quanergy 產(chǎn)品的最新進展。此外，我們還邀請了濱松光子、安森美、Innoviz 等激光雷達上下游公司，共同探討激光雷達的技術(shù)趨勢。
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