與 LiDAR 傳感器融合,成為自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展的必由之路

汽車(chē)產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷著(zhù)技術(shù)變革和轉型。在此發(fā)展背景下，其中最熱議的話(huà)題之一就是向自動(dòng)駕駛技術(shù)方向發(fā)展。汽車(chē)制造商或系統供應商能否在市場(chǎng)上長(cháng)期站穩腳跟可能將成為決定性的標準。因此，這對于制造商而言不僅意味著(zhù)挑戰，同時(shí)也為適應未來(lái)發(fā)展創(chuàng )造自我定位的機會(huì )。目前存在兩種不同的形勢或策略。

一方面，傳統汽車(chē)制造商不斷將駕駛輔助系統的功能逐步擴展為半自動(dòng)駕駛技術(shù)。這一趨勢已充分考慮大眾市場(chǎng)的市場(chǎng)條件。在大眾市場(chǎng)可迎合全自動(dòng)駕駛的最終擴展階段之前，肯定還需要經(jīng)過(guò)幾年的市場(chǎng)發(fā)展時(shí)間。因為在公共道路上投入使用之前，除了必須獲得必要的認證之外，還必須充分考慮法律形勢以及公眾的接受程度。德國信息技術(shù)、電信和新媒體協(xié)會(huì ) (Bitkom) 的一項研究表明：雖然公眾對自動(dòng)駕駛汽車(chē)充滿(mǎn)期待，但仍有超過(guò) 70% 以上的受訪(fǎng)者對安全問(wèn)題有所顧慮。 在自動(dòng)駕駛技術(shù)的探索歷程中,對不同傳感器進(jìn)行融合以及對光學(xué)激光系統進(jìn)行集成用于環(huán)境檢測的技術(shù)已成為核心趨勢。

在中國，自動(dòng)駕駛的利好已經(jīng)來(lái)臨，3月9日，中國工信部官網(wǎng)公示了《汽車(chē)駕駛自動(dòng)化分級》推薦性國家標準報批稿，擬于2021年1月1日開(kāi)始實(shí)施。此版分級標準基于駕駛自動(dòng)化系統能夠執行動(dòng)態(tài)駕駛任務(wù)的程度，根據在執行動(dòng)態(tài)駕駛任務(wù)中的角色分配以及有無(wú)設計運行條件限制，將駕駛自動(dòng)化分成 0～5 級。業(yè)內認為，對于自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展和大規模應用落地而言，國家標準的出臺是關(guān)鍵的前置條件，明確的分級標準將有助于促進(jìn)各類(lèi)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的量產(chǎn)與落地進(jìn)程。

要實(shí)現L4，必須有激光雷達、高精度地圖、環(huán)境感知等一系列技術(shù)的介入，復雜程度要比L3級高很多。 依靠高精度、高可靠性的探測能力，激光雷達基本上被認為是L3～L5級自動(dòng)駕駛汽車(chē)必需的核心傳感器。

根據MarketsandMarkets預計，自動(dòng)駕駛等所用激光雷達市場(chǎng)規模預計將從2019年的8.44億美元增長(cháng)到2024年的22.73億美元，2019年-2024年的復合年增長(cháng)率為18.5%。 面對如此誘人的巨大蛋糕，各路激光雷達大廠(chǎng)的目標與野心已顯示無(wú)疑：開(kāi)發(fā)可應用于L3/L4的激光雷達，并追求更高的可靠性與安全性，盡快先手搶占市場(chǎng)。

傳感器融合實(shí)現必要的安全性

ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) 為復雜的駕駛輔助系統。該系統中有許多必須相互作用的模塊功能。目前，關(guān)于哪些系統中的哪些組件可用于實(shí)現自動(dòng)駕駛技術(shù)方面正作出突破性的決定。例如自動(dòng)駕駛需要對其周?chē)h(huán)境構造出全面的 3D 視圖，因此算法系統才可確定汽車(chē)的下一步動(dòng)作。對周?chē)h(huán)境構造視圖時(shí)，攝像系統、雷達和 LiDAR（光探測和測距）是最核心的傳感器技術(shù)。目前通常將 LiDAR 系統視為攝像系統或雷達系統的競爭解決方案。如今，幾乎所有的專(zhuān)家和制造商都一致認為，不應該用“非此即彼”的觀(guān)念使用這些不同的系統，而是應該“兼而有之”。因為只有將 LiDAR 系統、雷達系統和攝像系統進(jìn)行傳感器融合時(shí)，才可實(shí)現全自動(dòng)駕駛的基本安全性。

其中的每項技術(shù)在不同的駕駛情況中均各有優(yōu)劣。這些系統的協(xié)調性越好，越能提高車(chē)輛在交通情況中的安全性。通過(guò)結合以上所使用三種技術(shù)的優(yōu)勢，即使在 250 米的距離中，自動(dòng)駕駛車(chē)輛也能可靠地檢測到行人，并判斷橫穿馬路的物體是物體或者行人。從而以最佳的方式逐步組合各個(gè)系統，用于最大化地實(shí)現全面的功能并提高安全性。

LiDAR 技術(shù)正成為發(fā)展趨勢

使用 LiDAR 技術(shù)可最佳彌補其他兩項技術(shù)的優(yōu)勢，用于提高駕駛輔助系統的可靠性并從整體上優(yōu)化自動(dòng)駕駛。市場(chǎng)已意識到這一發(fā)展趨勢，這不僅體現在近期傳感器制造商收購 LiDAR 技術(shù)的策略，同時(shí)也體現在目前諸如“LiDAR 成為 2019 年的汽車(chē)和工業(yè)應用”等。根據Marketandmarket 報告，配備先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)的高檔車(chē)數量每年都在增加。市場(chǎng)預測，預計至 2030 年，ADAS 汽車(chē)中的 LiDAR 技術(shù)的市場(chǎng)價(jià)值將提高至 110 億美元。

與雷達傳感器相比，LiDAR 系統更具突出優(yōu)勢，可遠距離實(shí)時(shí)生成高分辨率的 3D 視圖信息?，F代化系統會(huì )產(chǎn)生數以萬(wàn)計的數據點(diǎn)。相比于高分辨率的攝像系統，三維“視圖”和可直接測量與物體的間距功能也具有決定性的優(yōu)勢。因此安防系統利用 LiDAR 技術(shù)來(lái)檢測影子與空間物體之間的差異。LiDAR 在黑暗的使用環(huán)境中也具有突出優(yōu)勢，即使在逆光條件下仍可提供有用的數據。

自動(dòng)反應的駕駛汽車(chē)不僅要可靠地探測前方的開(kāi)闊“視線(xiàn)”（即最大距離為 250 m 的“遠距離 LiDAR”），同時(shí)還必須可靠地檢測出汽車(chē)的周?chē)h(huán)境。這種所謂的短距離或中距離 LiDAR（最大距離約 90 m）可滿(mǎn)足傳統的交通狀況，例如高速公路或城市交通中的超車(chē)操作。

五大技術(shù)領(lǐng)域的探索和成果

進(jìn)一步開(kāi)發(fā)輔助系統和使用 LiDAR 技術(shù)過(guò)程中的最大挑戰在于，目前眾多制造商正在測試的概念和系統架構組成具有多樣性。例如可將 LiDAR 集成在車(chē)前燈中或作為緊裝式模塊嵌入散熱器格柵后側。

在實(shí)現標準化并使得 LiDAR 技術(shù)適用于大眾市場(chǎng)之前，技術(shù)供應商必須為每個(gè)可能的組合提供合適的組件。

除了這一挑戰之外，近幾年也已在 LiDAR 的一般技術(shù)性能方面取得顯著(zhù)進(jìn)展。

提高性能和射程

由于真實(shí)駕駛環(huán)境十分復雜，例如高速公路與城市道路的不同場(chǎng)景，或者車(chē)型大小不同會(huì )造成制動(dòng)距離不同，往往要求傳感器必須能覆蓋短距至中長(cháng)距離。例如，目前國內外用于自動(dòng)駕駛的激光雷達探測距離規格大多是200米，在雨雪、霧霾等天氣條件下，探測距離會(huì )衰減為數十米。此外，針對干線(xiàn)運輸的自動(dòng)駕駛卡車(chē)，激光雷達的探測距離需要達到500米以上，才能給剎車(chē)距離較長(cháng)的卡車(chē)以充足的決策時(shí)間，從而提高安全性、降低油耗。

另外能耗方面，若激光雷達系統的能耗降低，能提高車(chē)輛的續航能力與駕駛體驗，甚至降低運行溫度，提高激光雷達的使用壽命——對于私人車(chē)輛而言，要求即使投入運營(yíng)多年后系統也能無(wú)故障運營(yíng)。

大約 15 年前，歐司朗光電半導體有限公司 (Osram Opto Semiconductor) 首次推出第一款用于 LiDAR 的激光二極管。當時(shí)該產(chǎn)品型號在電流為 30 安培時(shí)可輸出 75 瓦的光學(xué)性能。隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是對芯片設計和外殼的優(yōu)化，在運行極限范圍內顯著(zhù)提高了性能。因此也明顯優(yōu)化了脈沖長(cháng)度等其他參數。在如今的通道脈沖激光器 SPL S1L90A_3 A01 等產(chǎn)品型號中，電流為 40 安培時(shí)可達到 125 瓦的性能。不僅提高了約 30% 的效率，同時(shí)還降低了系統運行的總成本。由于低感應率和新型的 GaN （氮化鎵）場(chǎng)效晶體管技術(shù)，目前已可實(shí)現 2-4 ns 的短脈沖。

發(fā)射寬度和分辨率

激光系統在每個(gè)立體角中檢測出的點(diǎn)越多，區分度將越精確——類(lèi)似于攝像系統中的像素。最早用于制動(dòng)輔助系統的激光系統已經(jīng)可提前遠距離檢測前方路況。然而該系統的“像素”相對較低并且檢測范圍或立體角存在限制。

目前的 SPL DP90_3 等型號 LiDAR 激光芯片尺寸為 120 μm 并且發(fā)射寬度更窄。這一部件在電流為 20 A 時(shí)達到 65 W 的光學(xué)性能，這不僅將成為市場(chǎng)銷(xiāo)售的獨特亮點(diǎn)，同時(shí)也適用于檢測汽車(chē)的周?chē)h(huán)境并為下游系統提供高分辨率的圖像。

部件微型化

由于輔助系統越來(lái)越呈現復雜化，因此必須在越來(lái)越小的面積內安裝更多的部件。因此組件的微型化往往成為關(guān)注的焦點(diǎn)。這一點(diǎn)在外殼的小型化上體現得尤為明顯。

第一代標準化的 TO-Metalcan 外殼直徑通常為 5.6 mm?，F在通用的 SMD 外殼不僅由于表面裝配技術(shù) (SMT) 而具有簡(jiǎn)易組裝的優(yōu)勢，而且 2mm x 2.3mm 的尺寸也更加緊湊。

.除了配備外殼的組件之外，當系統設計者追求極深的集成度時(shí)，也需要對尺寸極小的芯片也進(jìn)行微型化。目前的 SPL DP90_3 型號不僅具備光束質(zhì)量?jì)?yōu)化的亮點(diǎn)，而且由于尺寸特別緊湊而受歡迎。由于節省空間的芯片安裝面積僅為 0.3 mm x 0.6 mm，因此系統制造商可以實(shí)現極為緊湊的設計。歐司朗光電半導體有限公司 (Osram Opto Semiconductor) 是第一家為各種系統方案提供完整產(chǎn)品組合的制造商，多年來(lái)該公司研發(fā)出了如今通用的 905 nm 波長(cháng)。

新型組件降低系統復雜性

另一項挑戰是如何將 LiDAR 組件集成在生產(chǎn)線(xiàn)中。技術(shù)開(kāi)發(fā)人員正致力于為表面裝配技術(shù)提供 SMD 部件，可將該部件集成在標準生產(chǎn)工序中。此外，如何降低系統復雜性也是一個(gè)重要的目標，安裝用于 ADAS 的每一個(gè)組件和傳感器將提高系統的復雜性。這要取決于系統供應商想實(shí)現的集成度。系統供應商也可將芯片完全集成至系統中，以最大化實(shí)現設計靈活性。

歐司朗公司在 2019 年秋季推出了第一款用于 LiDAR 應用的 SPL S4L90A 型號的自動(dòng)化 (AEC-Q102) 四通道脈沖激光器。四通道型式配備一個(gè)帶有四個(gè)發(fā)射范圍的芯片，功率為 480 瓦特時(shí)可達到最佳的光學(xué)性能。規格僅為 3.35 mm x 2.45 mm x 0.65 mm 部件在應用中可實(shí)現全面的檢測范圍，尺寸與單通道型式的產(chǎn)品 (2.0 mm x 2.3 mm x 0.65 mm) 差別不大。另一個(gè)優(yōu)勢在于，即使在高電流中也可簡(jiǎn)單地將熱能從部件中傳導出。特制的 SMT 外殼顯著(zhù)簡(jiǎn)化了系統開(kāi)發(fā)人員對高性能激光器的系統集成。

邊緣和表面發(fā)射器

邊緣發(fā)射激光器 (EEL) 二極管通過(guò)較小的發(fā)射面在較小的空間內提供較大的光量，因此在功率、射程和較小的外形尺寸上都具備優(yōu)勢。特別是在 LiDAR 應用方面，EEL 技術(shù)已日趨完善。多年來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)滿(mǎn)足了汽車(chē)行業(yè)的高要求。然而，另一種照明技術(shù)也隨著(zhù) LiDAR 的發(fā)展而被應用：垂直腔面發(fā)射激光器 (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)，簡(jiǎn)稱(chēng)：VCSEL。該激光器結合了兩種照明技術(shù)的特性——高功率密度和紅外 LED（IRED）的簡(jiǎn)單封裝特點(diǎn)，光譜寬度和速度卻與激光相同。雖然 VCSEL 技術(shù)所需的封裝空間比 EEL 發(fā)射器稍大，但 VCSEL 技術(shù)在特殊領(lǐng)域應用中可能具有潛在優(yōu)勢。其中的突出優(yōu)勢在于其在溫度升高時(shí)的波長(cháng)穩定性。目前 VCSEL 技術(shù)已經(jīng)率先在工業(yè)應用、機器人技術(shù)和物流汽車(chē)等領(lǐng)域得到了應用。雖然該技術(shù)還未獲得汽車(chē)應用的認證，但這將是下一個(gè)必然目標。與雷達、攝像系統或 LiDAR 技術(shù)相同，EEL 和 VCSEL 不應該被看作是相互競爭的技術(shù)，而應將其視為優(yōu)勢互補的組合，以提高道路駕駛安全性。然而，特別是在性能方面必須進(jìn)一步發(fā)展 VCSEL 技術(shù)領(lǐng)域，以滿(mǎn)足 LiDAR 系統制造商的期望。

歐司朗公司除了提供用于邊緣發(fā)射激光器的全面產(chǎn)品組合之外，還致力于在 VCSEL 的基礎上研發(fā)新型解決方案。對此類(lèi)組件的技術(shù)特性進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，將重點(diǎn)放在性能、效率、穩定性、緊湊性以及簡(jiǎn)化集成安裝方面。歐司朗公司最新研發(fā)的產(chǎn)品包括 10-W-VCSEL 芯片，幫助 3D 傳感器領(lǐng)域的客戶(hù)實(shí)現更高性能和更優(yōu)效率。該公司在 2020 年 2 月的 Photonics West 美國西部光電展展會(huì )上展出了波長(cháng)為 940 nm 的芯片。單芯片的設計使得整體尺寸更小并且成本更低。該芯片是地圖繪制、無(wú)人駕駛交通系統和移動(dòng)機器人等工業(yè)應用的理想選擇。

結語(yǔ)

目前 LiDAR 市場(chǎng)的主要參與者都在對未來(lái)的業(yè)務(wù)發(fā)展方向進(jìn)行基本考慮。根據這些評估結果，相應的行業(yè)調整將對新應用的推廣速度和范圍產(chǎn)生巨大影響。第二個(gè)決定性因素為終端客戶(hù)對汽車(chē)行業(yè)新推出的創(chuàng )新產(chǎn)品的接受程度。

而在這之前，組件開(kāi)發(fā)者的創(chuàng )新成就一方面在于為所有可能的應用提供解決方案，另一方面在于將模塊設計為大眾市場(chǎng)可接受的尺寸和成本效益。像歐司朗這樣在汽車(chē)和工業(yè)化領(lǐng)域具備相關(guān)經(jīng)驗的供應商具有決定性的優(yōu)勢，因為汽車(chē)行業(yè)對質(zhì)量和堅固性的要求非常高。雖然可定期維護和校準 Robotaxi 車(chē)型系列，但對于私人系列生產(chǎn)的車(chē)輛而言，即使投入運營(yíng)多年后系統也仍需無(wú)故障運行。到目前為止，只有少數供應商能保證這一點(diǎn)。歐司朗光電半導體有限公司 (Osram Opto Semiconductor) 已投入使用一千萬(wàn)個(gè)用于 LiDAR 的芯片并且不存在任何故障。未來(lái)可能在系統設計上為客戶(hù)帶來(lái)性能方面的進(jìn)一步飛躍和簡(jiǎn)化。

【作者介紹】

謝文峰 (Alvin Tse）,歐司朗光電半導體事業(yè)部大中華區及日本銷(xiāo)售副總裁

謝文峰先生于2020年7月加入歐司朗，任歐司朗光電半導體事業(yè)部大中華區及日本銷(xiāo)售副總裁，負責制定與執行中國大陸、香港、臺灣地區及日本的銷(xiāo)售戰略及計劃，管理區域內重大銷(xiāo)售項目、市場(chǎng)活動(dòng)、商務(wù)拓展及銷(xiāo)路管理。

謝文峰先生是LED行業(yè)資深人士，擁有25年以上亞太區產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、銷(xiāo)售及市場(chǎng)推廣的經(jīng)歷，涉及領(lǐng)域包括傳統照明、固態(tài)照明及LED元器件。另外，他還為固態(tài)照明、移動(dòng)閃存、電視及顯示屏背光、汽車(chē)等領(lǐng)域提供LED解決方案并擔任執行管理人員。