LiDAR揭秘：“波長(cháng)大辯論”的深入指導

人們普遍認為，先進(jìn)駕駛輔助系統（ADAS）和自動(dòng)駕駛（AD）之所以成功，是因為它可以有效地感測車(chē)輛周?chē)沫h(huán)境，并將感測到的信息輸入實(shí)現自動(dòng)導航的算法中?？紤]到在生死攸關(guān)的情況下對感測技術(shù)的絕對依賴(lài)性，系統通常使用多個(gè)傳感器模式，并實(shí)現數據融合，以增強彼此，并提供冗余。這樣每種技術(shù)都能發(fā)揮其優(yōu)勢，并提供更好的組合解決方案。

在未來(lái)ADAS 和AD 車(chē)輛中，傳感器主要有3 種模式，分別是圖像傳感器、雷達和LiDAR（light detection and ranging，激光雷達）。每一種傳感器都有自己的優(yōu)勢，它們可以組成1 個(gè)完整的傳感器套件，通過(guò)傳感器融合提供數據使自主感知算法并能夠做出決策，為場(chǎng)景中的每個(gè)點(diǎn)提供顏色、強度、速度和深度信息（如圖1）。

圖1 傳感器融合利用每種模式的優(yōu)勢提供有關(guān)車(chē)輛周?chē)h(huán)境的完整信息

盡管早在幾十年前就出現了利用光測量距離的概念，但在這3 種主要模式中，LiDAR 是適用于大眾市場(chǎng)的新興商業(yè)化技術(shù)。由于需要完整傳感器套件的自動(dòng)系統激增，汽車(chē)LiDAR 市場(chǎng)將呈現驚人的增長(cháng)，預計從2020 年的3 900 萬(wàn)美元增長(cháng)至2025 年的17.5 億美元（來(lái)源：Yole Développement，2020 年）。這是一個(gè)巨大的商機，專(zhuān)注于LiDAR 技術(shù)的公司多達上百家，到2020 年對這些公司的累計投資額已超過(guò)15 億美元，而且這一數據源自2020 年底多家LiDAR 公司發(fā)起SPAC（special purpose acquisition company，特殊目的收購公司）首次公開(kāi)募股潮之前。但當有這么多公司投身于同一項技術(shù)，而且這項技術(shù)基于完全不同的光波長(cháng)時(shí)（最突出的示例就是905 nm 和1 550 nm），最終總會(huì )有一種技術(shù)勝出，并整合其他技術(shù)的優(yōu)勢。就像我們一次次看到的那樣，網(wǎng)絡(luò )技術(shù)以太網(wǎng)、視頻技術(shù)VHS（video home system，家用錄像系統）等。

對于LiDAR 技術(shù)用戶(hù)而言，即汽車(chē)制造商以及設計和制造客運和貨運自動(dòng)機器人車(chē)輛的公司，他們首先要考慮的是自己的需求。最終，這些公司希望供應商提供高度可靠的低成本LiDAR 傳感器，同時(shí)滿(mǎn)足低反射率物體的測距和檢測性能規范要求。盡管所有工程師都有各自強烈的主張，但如果供應商能夠以合適的成本滿(mǎn)足性能和可靠性要求，這些公司則可能并不知道實(shí)施的是何種技術(shù)。正因如此，才引起了本文旨在幫助理清的根本性辯論：哪種波長(cháng)將在汽車(chē)LiDAR 應用中占據主導地位？

1   LiDAR概述

要解決這個(gè)問(wèn)題，首先需要了解LiDAR 系統的結構。LiDAR 系統有不同的構造。相干LiDAR，一種被稱(chēng)為調頻連續波（FMCW）的LiDAR，將發(fā)射的激光信號與反射光混合，以計算物體的距離和速度。雖然FMCW 具有一定的優(yōu)勢，但與最常見(jiàn)的LiDAR 方法“直接飛行時(shí)間（dToF）LiDAR”相比，它仍屬于不太常用的方法。該技術(shù)測量超短光脈沖從照明光源發(fā)出，到達物體后反射回到傳感器所用的時(shí)間，達到測距的目的。它通過(guò)有關(guān)時(shí)間、速度和距離的簡(jiǎn)單數學(xué)公式，利用光速來(lái)直接計算與物體的距離。盡管波長(cháng)的選擇主要影響發(fā)射和接收功能，但典型的dToF LiDAR 系統有6 大硬件功能（如圖2）。

圖2 典型dToF系統框圖，綠色部分代表安森美產(chǎn)品的一些重點(diǎn)領(lǐng)域

表1 顯示了各種LiDAR 制造商列表，從知名的一級汽車(chē)供應商到世界各地的初創(chuàng )公司。市場(chǎng)報告和公開(kāi)資料表明，絕大多數公司的LiDAR 在近紅外（NIR）波長(cháng)下工作，而不是短波紅外（SWIR）波長(cháng)。此外，雖然專(zhuān)注于FMCW（frequency modulated continuous wave，調頻連續波） 的SWIR（short-wave（length）infrared（band），短波紅外）LiDAR 供應商只能使用相應波長(cháng)，但大多數采用直接飛行時(shí)間實(shí)現的供應商都可以選擇使用NIR（near infrared，近紅外光譜）波長(cháng)來(lái)構建系統，同時(shí)還能夠利用其現有的IP（intellectual property，知識產(chǎn)權）相關(guān)功能，如波束控制和信號處理。

鑒于大多數制造商（而不是全部）都已選擇NIR 波長(cháng)，他們是如何做出這一決定的？他們需要考慮的影響有哪些？本文重點(diǎn)討論與構成LiDAR 組件的光和半導體材料性質(zhì)有關(guān)的基礎物理學(xué)知識。

在LiDAR 系統中，激光發(fā)射的光子到達物體后應反射回來(lái)，然后被探測器接收。在此過(guò)程中，這些光子必須與來(lái)自太陽(yáng)的周?chē)h(huán)境光子競爭。通過(guò)觀(guān)察太陽(yáng)輻射光譜，并考慮大氣吸收因素，我們發(fā)現某些波長(cháng)的輻照度會(huì )下降，因而減少作為系統噪聲存在的光子量。905 nm 波長(cháng)下的太陽(yáng)輻照度是1 550 nm 的3 倍（如圖3），這意味著(zhù)NIR 系統必須應對更多干擾傳感器的噪聲。但這只是選擇LiDAR 系統波長(cháng)時(shí)需要考慮的其中1 個(gè)因素。

圖3 大氣對光的吸收會(huì )產(chǎn)生明顯的峰值

2   傳感器

LiDAR 系統中負責感測光子的組件為不同類(lèi)型的光電探測器，因此必須說(shuō)明為什么它們可以根據待檢測波長(cháng)而采用不同的半導體材料制成。在半導體中，帶隙可將價(jià)帶和導帶分開(kāi)，而光子可提供能量，以幫助電子克服帶隙問(wèn)題，從而使半導體導電，繼而產(chǎn)生光電流。每個(gè)光子的能量與其波長(cháng)有關(guān)，而半導體的帶隙與其靈敏度有關(guān)，這就解釋了為什么所需半導體材料取決于待檢測光的波長(cháng)。硅是最常見(jiàn)也是制造成本最低的半導體，可響應高達1 000 nm 左右的可見(jiàn)光和NIR 波長(cháng)。為檢測SWIR 范圍以外的波長(cháng)，可對更稀有的III/V 族半導體進(jìn)行合金化，使InGaAs 之類(lèi)的材料能夠檢測1 000 ～ 2 500 nm 的波長(cháng)。

早期的LiDAR 將PIN 光電二極管用作傳感器。PIN光電二極管本身沒(méi)有增益，因此無(wú)法輕松檢測到微弱信號。雪崩光電二極管（APD）是目前LiDAR 中最常用的傳感器類(lèi)型，可提供適當的增益。然而，APD 也需要像PIN 光電二極管一樣在線(xiàn)性模式下工作，以集成光子到達信號，而且在需要非常高偏置電壓的情況下也會(huì )受到制件質(zhì)地不均的影響。LiDAR 中開(kāi)始日益廣泛使用的最新型傳感器以單光子雪崩二極管（SPAD）為基礎，SPAD 具有非常大的增益，并且能夠從每個(gè)檢測到的光子中產(chǎn)生可測量的電流輸出。硅光電倍增器（SiPM）是硅基SPAD 陣列，其額外優(yōu)勢就是能夠通過(guò)觀(guān)察所生成信號的振幅來(lái)區分單個(gè)光子和多個(gè)光子（如圖4）。

圖4 LiDAR中用于檢測信號的不同光電探測器類(lèi)型

回到波長(cháng)這個(gè)話(huà)題，所有這些類(lèi)型的光電探測器都可以采用硅（用于NIR 探測）或III/V 族半導體（用于SWIR 探測）。另一方面，可制造性和成本是技術(shù)可行性的關(guān)鍵，且CMOS 硅代工廠(chǎng)可實(shí)現此類(lèi)傳感器的低成本、批量生產(chǎn)。正因如此，LiDAR 在實(shí)現更高性能的基礎上逐漸開(kāi)始采用SiPM。盡管存在適用于SWIR 的APD 和SPAD，但由于未采用硅基處理器，所以很難將它們與讀出邏輯集成在一起。最后，由于針對SWIR 的III/V 基SPAD 陣列和光電倍增器（與SiPM 相似）尚未實(shí)現商業(yè)化，所以生態(tài)系統更適用于NIR 波長(cháng)。

3   激光器

光子生成是另一種完全不同的流程。半導體P-N結作為增益介質(zhì)可用于制造激光器；這可通過(guò)泵送的方式使電流通過(guò)結，在原子進(jìn)入較低能帶時(shí)引起光子共振發(fā)射，從而產(chǎn)生相干激光束輸出來(lái)實(shí)現。半導體激光器基于直接帶隙材料（如GaAs 和InP），與間接帶隙材料（硅）相比，這種材料對于原子進(jìn)入較低能帶時(shí)的光子生成非常有效。

LiDAR 使用的2 種主要激光器為： 邊緣發(fā)射激光器（EEL）和垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。與VCSEL 相比，EEL 的成本更低，輸出效率更高，所以目前使用更廣泛。但EEL 在封裝和組裝成陣列方面難度更高，而且還會(huì )受到溫度范圍內波長(cháng)變化的影響，導致探測器不得不尋找更寬的光子波長(cháng)波段，才能將更多的環(huán)境光子檢測為噪聲。盡管較新的VCSEL 技術(shù)成本更高、功效更低，但由于其光束是從頂部生成的，所以具有封裝簡(jiǎn)單高效的優(yōu)勢。由于VCSEL 的成本將繼續顯著(zhù)降低，功效將提高，所以其市場(chǎng)采用率開(kāi)始上升。EEL 和VCSEL 可用于NIR 和SWIR 波長(cháng)生成，兩者之間的關(guān)鍵區別在于：NIR 波長(cháng)可使用GaAs 生成，而SWIR 波長(cháng)則需要使用InGaAsP。大尺寸晶圓廠(chǎng)能幫助降低GaAs 激光器成本，從成本和供應鏈安全角度來(lái)看，這再一次突出了NIR LiDAR 制造商生態(tài)系統的優(yōu)勢（如圖5）。

圖5 LiDAR中使用的不同激光類(lèi)型

4   激光功率和人眼安全

在討論波長(cháng)大辯論時(shí)，必須考慮LiDAR 系統對人眼安全的影響。dToF LiDAR 概念涉及以高峰值功率，沿著(zhù)特定視角將短激光脈沖發(fā)射到場(chǎng)景。站在LiDAR發(fā)射路徑上的行人需確保自己的眼睛不會(huì )被射向自己方向的激光損傷，IEC-60825 規范規定了不同波長(cháng)的光的最大容許照射量。類(lèi)似于可見(jiàn)光的NIR 光能夠穿過(guò)角膜到達人眼的視網(wǎng)膜，而大部分SWIR 光在角膜內可被吸收，因此照射量更高（如圖6）。

圖6 IEC-60825人眼安全型激光照射量規范

從性能角度來(lái)看，對于基于1 550 nm 的系統來(lái)說(shuō)，能夠輸出高出多個(gè)數量級的激光功率是1 個(gè)優(yōu)勢，因為這樣可以發(fā)出更多光子，從而檢測到更多返回的光子。但更高的激光功率也意味著(zhù)需要進(jìn)行熱權衡。需要注意的是，適當的人眼安全型設計必須在不考慮波長(cháng)的情況下進(jìn)行，同時(shí)必須清楚地考慮每個(gè)脈沖的能量和激光孔徑的大小。對于基于905 nm 的LiDAR，可以通過(guò)其中的任意1 個(gè)因素來(lái)增加峰值功率，如圖7 所示。

圖7 基于不同光學(xué)器件和激光器參數的NIR LiDAR人眼安全型激光器設計

5   NIR與 SWIR LiDAR系統對比

上文著(zhù)重描述能夠輸出的激光功率大小，現在我們繼續探討所用的傳感器。顯然，可檢測更微弱信號的更高性能傳感器可為系統帶來(lái)多方面的益處——能夠實(shí)現更長(cháng)的測程，或能夠使用更少的激光功率來(lái)實(shí)現相同的測程。安森美開(kāi)發(fā)了一系列可提高光子探測效率（PDE）的NIR LiDAR SiPM（silicon photomultiplier，硅光電倍增管），PDE 是指示靈敏度的關(guān)鍵參數。其新推出的RDM 系列傳感器PDE 達到市場(chǎng)領(lǐng)先的18%。

圖8 安森美SiPM 的工藝發(fā)展路線(xiàn)圖

為比較NIR dToF LiDAR 與 SWIR dToF LiDAR 的性能，我們利用相同的LiDAR 架構和不同激光和傳感器參數的環(huán)境條件進(jìn)行了系統建模。LiDAR 架構為共軸系統，配有1 個(gè)16 信道探測器陣列和1 個(gè)遍布整個(gè)視場(chǎng)的掃描機制，如圖9 所示。該系統模型已通過(guò)硬件驗證，使我們能夠準確估計LiDAR 系統的性能（表2）。

圖9 dToF LiDAR傳感器的系統模型

表2 NIR和SWIR系統模型模擬的LiDAR傳感器和激光器參數

由于使用了PDE 較高的InGaAs 合金，所以1 550 nm系統采用更高的激光功率以及更高的PDE 傳感器，這樣就可以在我們的系統模擬中實(shí)現更出色的測距性能。通過(guò)使用傳感器鏡頭（分別對焦在大約905 nm 和1 550 nm）上50 nm 帶通濾波器過(guò)濾的100 klux 環(huán)境光系統級參數，以30 fps、500 kHz 激光頻率和1 ns 脈沖寬度進(jìn)行超過(guò)80°的水平0.1°×5°視角掃描，并使用22 mm 鏡頭直徑，得出圖10 的結果。

圖10 基于 905 nm和1 550 nm的類(lèi)似LiDAR系統的模擬結果

正如預期，1 550 nm 系統能夠對低反射率物體進(jìn)行更遠的測距，99% 的測距概率下可達到500 m。然而，基于905 nm 的系統仍可以實(shí)現超過(guò)200 m 的測距，這表明2 種類(lèi)型的系統在典型環(huán)境條件下都可以達到汽車(chē)遠程LiDAR 的要求。在雨水或大霧等惡劣環(huán)境條件下時(shí)，SWIR 光的吸水性會(huì )使其性能比基于NIR 的系統下降得更快，而這是另一個(gè)考慮因素。

6   成本考慮因素

在廣泛研究了LiDAR 系統所用技術(shù)以及使用不同波長(cháng)的影響之后，現在，我們回到成本考慮因素上。我們之前就解釋過(guò)， 用于NIR LiDAR 的傳感器采用天然 CMOS（complementary metal oxide semiconductor，互補金屬氧化物半導體）硅鑄造工藝，這可最大限度地降低半導體的成本。此外，通過(guò)使用代工廠(chǎng)目前已經(jīng)掌握的堆疊芯片技術(shù)，可將CMOS 讀出邏輯與傳感器集成到一個(gè)芯片中，這進(jìn)一步壓縮了信號鏈并降低了成本。相反，SWIR 傳感器使用成本更高的III/V 半導體代工廠(chǎng)（如InGaAs）和新型Ge-Si 混合技術(shù)，雖然可降低SWIR 傳感器成本，并能更輕松地集成讀出邏輯，但即使在技術(shù)成熟后，估計仍比傳統的CMOS 硅貴5 倍以上。從激光器方面看，用于制造NIR 系統激光器芯片的GaAs 晶圓與用于制造SWIR 系統激光器芯片的InGaAs 晶圓尺寸差異同樣會(huì )導致成本差異，而NIR 系統可以使用VCSEL，并且現成的供應商更多，這一事實(shí)亦可降低集成成本。

綜合以上因素，市場(chǎng)調查公司IHS Markit 進(jìn)行的一項分析調查（Amsrud，2019）顯示，使用相同類(lèi)型的組件（傳感器或激光器）時(shí)，SWIR 系統的成本比NIR系統高10 ～ 100 倍。2019 年，NIR 系統傳感器和激光器的平均組件總成本估計為4 ～ 20 美元/ 信道，到2025 年將降至2 ～ 10 美元/ 信道。相比之下，2019 年，SWIR 系統傳感器和激光器的平均組件總成本估計為275 美元/ 信道，到2025 年將降至155 美元/ 信道?？紤]到LiDAR 系統包含多個(gè)信道，即使使用1D 掃描方法，這也會(huì )是1 個(gè)巨大的成本差異，因為仍需要使用單點(diǎn)信道的垂直陣列（如表3）。

表3 成本考慮因素總結（來(lái)源：IHS Markit）

LiDAR 市場(chǎng)動(dòng)態(tài)也不利于SWIR 陣營(yíng)。自動(dòng)駕駛市場(chǎng)并未像五年前市場(chǎng)預期的那樣迅速發(fā)展，而必須使用LiDAR 的Level 4（4 級）和Level 5（5 級）自主性系統也還需要幾年才能實(shí)現大規模部署。同時(shí)，利用LiDAR 的工業(yè)和機器人市場(chǎng)對成本更加敏感，并且SWIR 系統的超高性能優(yōu)勢并非不可或缺，這些系統制造商沒(méi)有辦法像通常所說(shuō)的那樣通過(guò)增加產(chǎn)量來(lái)降低組件成本。產(chǎn)量增加時(shí)可實(shí)現成本降低，但實(shí)現量產(chǎn)需要降低成本，這其實(shí)就是“先有雞還是先有蛋”的問(wèn)題。

7   結束語(yǔ)

在深入研究了這項技術(shù)以及NIR 和SWIR 系統之間的差異后，當今絕大多數LiDAR 系統使用NIR 波長(cháng)的原因就顯而易見(jiàn)。雖然，對未來(lái)的展望并不是百分百確定的，但顯然，成本和可用性是生態(tài)系統供應商的關(guān)鍵考慮因素，由于CMOS 硅的技術(shù)優(yōu)勢和規模經(jīng)濟，NIR系統無(wú)疑更具經(jīng)濟效益。雖然SWIR 支持遠程LiDAR系統，但基于NIR 的LiDAR 也可以滿(mǎn)足汽車(chē)遠程測距需求，同時(shí)在A(yíng)DAS 和AD 應用所需的短程到中程配置中也表現出色。目前，基于NIR 的LiDAR 已經(jīng)在汽車(chē)市場(chǎng)中實(shí)現了大批量生產(chǎn)，這表明該技術(shù)已經(jīng)實(shí)現了商業(yè)化并通過(guò)了市場(chǎng)檢驗，但整合仍需時(shí)日，且無(wú)論輸贏(yíng)，都需要經(jīng)歷動(dòng)蕩和調整。20 世紀之交的汽車(chē)行業(yè)有30家不同的制造商，隨后10 年增加至近500 家，但僅僅數年之后，大多數制造商已經(jīng)銷(xiāo)聲匿跡。預計到2030 年，LiDAR 制造商也會(huì )經(jīng)歷類(lèi)似的發(fā)展歷程。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）