深度解析:激光器與雷達如何打好配合?

近年來(lái)，激光雷達技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和提及，但在實(shí)際應用中，其效果似乎尚未完全達到預期。雖然有些汽車(chē)已經(jīng)配備了激光雷達，但其潛在的效用尚未得到充分發(fā)揮。在汽車(chē)領(lǐng)域，如何充分利用激光雷達為自動(dòng)駕駛或輔助駕駛帶來(lái)優(yōu)勢仍是一個(gè)挑戰，產(chǎn)業(yè)還在摸著(zhù)石頭過(guò)河。

作為LiDAR 技術(shù)的領(lǐng)導者，艾邁斯歐司朗從實(shí)際應用出發(fā)，深入洞察激光雷達的場(chǎng)景需求?；诖?，艾邁斯歐司朗提供了一系列針對性的激光器解決方案建議，旨在為客戶(hù)提供最佳的激光雷達解決方案。

圖1 激光雷達應用場(chǎng)景（圖片來(lái)源：艾邁斯歐司朗）

1 激光雷達最原始的應用場(chǎng)景：測距

首先，明確激光雷達應用場(chǎng)景是最核心和最基本的一環(huán)。只有確定了適當的應用場(chǎng)景，我們才能確保激光雷達的勁兒該往何處使。那么，在自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展過(guò)程中，激光雷達的應用場(chǎng)景究竟應如何定義？“過(guò)去幾年，眾多激光雷達廠(chǎng)家都在拼性能、拼價(jià)格和拼各種技術(shù)參數，但實(shí)際應用場(chǎng)景定義仍然模糊不清。對此，我們嘗試回歸到激光雷達最基本的應用：測距，以此來(lái)對激光雷達進(jìn)行進(jìn)一步探討?！卑~斯歐司朗中國區激光雷達應用高級市場(chǎng)經(jīng)理梁澤春指出。

在實(shí)際駕駛中，當遇到緊急情況需要進(jìn)行緊急剎車(chē)時(shí)，激光雷達來(lái)測距主要考慮兩個(gè)核心因素：1、反應時(shí)間：即駕駛員發(fā)現障礙物到真正開(kāi)始剎車(chē)的時(shí)間間隔。這段時(shí)間內，車(chē)輛將繼續前進(jìn)，形成一個(gè)所謂的“反應距離”。2、剎車(chē)距離：即從駕駛員開(kāi)始剎車(chē)到車(chē)輛完全停穩所需的距離。例如在車(chē)速為50km/h 時(shí)，可能需要40m 的剎車(chē)距離；而當車(chē)速達到130km/h 時(shí)，這一距離可能擴展至200m，如圖1 的表格中所示。因此，根據這兩大因素，激光雷達測距可區分長(cháng)距離、遠距離和中距離三大主要應用場(chǎng)景。

此外，分辨率也是決定雷達性能的關(guān)鍵因素之一，它決定了激光雷達能夠檢測到的物體的大小和清晰度。我們假設了三種基本場(chǎng)景：人的身高（約1.5m）、路標（約幾十厘米高）以及較小的障礙物，如掉落的輪胎或礦泉水瓶。根據這些對象的高度，以及激光雷達的工作距離，就可以確定所需的角度分辨率。

圖2 激光雷達在汽車(chē)應用中的場(chǎng)景（圖片來(lái)源：艾邁斯歐司朗）

除了測距和分辨率，幀頻也是一個(gè)考慮因素。由于幀與幀之間存在時(shí)間差，必須考慮這一時(shí)間差帶來(lái)的測量偏差。

所以，一個(gè)好的激光雷達方案需要綜合考慮測距、角度分辨率以及幀頻等多種因素。

按照測距的方式來(lái)劃分的話(huà)，又可以定義如下場(chǎng)景：交通擁堵輔助/ 自動(dòng)駕駛，城市交通/ 自動(dòng)駕駛、或高速輔助/ 自動(dòng)駕駛、停車(chē)輔助、L4 以上的自動(dòng)駕駛。這幾種場(chǎng)景基本上覆蓋了70％至80％的常見(jiàn)應用，為激光雷達的進(jìn)一步應用指明了方向。

各種場(chǎng)景都有其特定的需求，這導致我們需要采納不同的技術(shù)策略。梁澤春提到，圖3 展示了艾邁斯歐司朗針對城市交通輔助和高級自動(dòng)駕駛等激光雷達長(cháng)距離應用提出的基準參考標準。

圖3 激光雷達長(cháng)距離使用案例（圖片來(lái)源：艾邁斯歐司朗）

對于短距離應用，停車(chē)場(chǎng)景是一個(gè)明確且常見(jiàn)的參考點(diǎn)（見(jiàn)圖4）。從中，我們可以看到其垂直視場(chǎng)角度與長(cháng)距離應用截然不同。長(cháng)距離的垂直角度為25°，短距離需要達到90°。而在水平方向，要實(shí)現充分的短距離覆蓋，角度需至少為140°或150°。然而在短距離應用中城市駕駛的場(chǎng)景較為復雜，涉及多種速度和環(huán)境。目前，城市駕駛的NOA 標準仍在討論中，大致上有兩個(gè)建議：1、制定全新的規格，需要考慮到測距、角度等多方面因素，要求極高；2、結合短、長(cháng)距離雷達，如采用一顆主雷達＋兩顆輔雷達，或者其它如2 ＋ 2、2 ＋ 3、2 ＋ 4 的雷達組合方案。

圖4 激光雷達短距離使用案例（圖片來(lái)源：艾邁斯歐司朗）

2 雷達激光器技術(shù)發(fā)展分析

確定了激光雷達應用場(chǎng)景之后，讓我們來(lái)看看激光器的發(fā)展情況。激光器技術(shù)主要有三種：邊發(fā)射激光器（EEL）、垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL），還有光纖激光器。

圖5 三種激光器技術(shù)（圖片來(lái)源：艾邁斯歐司朗）

這三種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。

●   EEL：具有非常高的功率密度，達到60000W/ 每平方毫米，大約是VCSEL 的數十倍（圖6），因此，其在光功率密度占據絕對優(yōu)勢，特別適用于遠距應用。

●   VCSEL：VCSEL 的優(yōu)勢在于其垂直發(fā)射結構，以及其較小、圓形的光斑。這使得VCSEL 在某些需要特定光學(xué)結構的應用中具有優(yōu)勢。另外，相比邊緣發(fā)射，VCSEL 的溫度漂移問(wèn)題相對較小，這意味著(zhù)在變化的環(huán)境溫度下，它可以提供更穩定的性能。VCSEL 在短距固態(tài)應用中有優(yōu)勢，但在中長(cháng)距離應用中會(huì )有挑戰。

●   光纖激光器：輸出功率高、光束質(zhì)量好、速度快，是高性能系統的理想選擇。但其復雜性顯著(zhù)增加，而且成本以及過(guò)車(chē)規是挑戰，市場(chǎng)接受度相對較窄。不是一個(gè)長(cháng)期發(fā)展之選。

根據知名分析機構Yole 的報告，在雷達激光器方面，EEL 占據市場(chǎng)主導地位，VCSEL 也開(kāi)始逐漸被應用。其他幾種技術(shù)如FL 和FMCW 則相對份額較小。

圖6 EEL和VCSEL兩種技術(shù)的關(guān)鍵參數一覽（圖片來(lái)源：艾邁斯歐司朗）

圖7 幾種激光器的市場(chǎng)份額（數據來(lái)源：Yole LiDAR report Aug. 2022）

所以，EEL 和VCSEL 這兩種主要的激光器技術(shù)正在全力賽跑，各大公司根據自身的雷達技術(shù)路線(xiàn)和策略，選擇采納不同的激光器技術(shù)，導致市場(chǎng)上出現了多種技術(shù)并存、競相輝映的現象。

3 激光雷達與激光器如何適配？

激光雷達技術(shù)主要包括機械旋轉式、MEMS 及Flash 雷達等多種技術(shù)路線(xiàn)。根據知名分析機構Yole 的報告，當前市場(chǎng)上主要采用機械旋轉式激光雷達，占據較大的市場(chǎng)份額。盡管MEMS 雷達在市場(chǎng)份額上尚處于較小狀態(tài)，但預期其在未來(lái)三年將會(huì )迅速增長(cháng)。長(cháng)遠看來(lái)，Flash 雷達技術(shù)可能會(huì )成為主流。

從激光器的選擇和適配當中來(lái)看，機械旋轉雷達方案中目前是EEL 為主，有少量VCSEL 的方案。在MEMS 和棱鏡式雷達中，也基本都是以EEL 為主。而在分區覆蓋的1D、2D 的應用中，只有VCSEL 能做。在全覆蓋固態(tài)雷達方面最大的挑戰是長(cháng)距的應用，目前看EEL 和VCSEL 都難以勝任。

圖8 雷達技術(shù)市場(chǎng)份額發(fā)展趨勢（數據來(lái)源：Yole LiDAR report Aug. 2022）

4 艾邁斯歐司朗：EEL與VCSEL技術(shù)的創(chuàng )新引領(lǐng)者

為了推動(dòng)EEL 與VCSEL 激光器技術(shù)的應用發(fā)展，艾邁斯歐司朗正在從多個(gè)角度出手。

（一）EEL 激光器的技術(shù)提升方向

1、從單通道擴展到多通道，逐步向線(xiàn)光源和面光源發(fā)展。

2、繼續提高光功率和效率，這是核心之爭。通過(guò)芯片技術(shù)的革新帶來(lái)的多結技術(shù)。其所帶來(lái)的直觀(guān)提升是，以前的功率為65 W 的設備，現在可以在相同的體積和驅動(dòng)條件下，增加到100 W。同樣地，原先120 W的設備現在有可能達到180 W 甚至200 W。

3、與VCSEL 不同，EEL 并不能通過(guò)增大面積來(lái)提高功率，但通過(guò)提升諧振腔的腔長(cháng)，可以在相同的發(fā)光口徑下增加其功率和功率密度。

4、減小出光口尺寸也是一個(gè)主要方向。原來(lái)的220 mm 的尺寸現在已經(jīng)減少到110 mm，并有望進(jìn)一步減小到60 mm 或50 mm。

關(guān)于溫度漂移的問(wèn)題，對艾邁斯歐司朗而言已不是難事。如圖10 綠色線(xiàn)所示，艾邁斯歐司朗已將邊發(fā)射激光器的技術(shù)做到，在-20℃ 到105℃ 的溫度范圍內的偏移空間從35 nm 減少到10 nm。首批客戶(hù)反饋表明，減少30 nm 的波長(cháng)偏移可以通過(guò)降低背景噪聲（SNR1增加）使測量范圍增加約40％。

（二）VCSEL 激光器的發(fā)展方向

功率密度是VCSEL 的一個(gè)短板。因此，技術(shù)研發(fā)團隊一直在利用其天然的優(yōu)勢，特別是在尋址能力上，無(wú)論是1D 還是2D，其優(yōu)勢都十分明顯。具體而言，為了提高VCSEL 的功率密度，一方面是通過(guò)提升結數，從三結、五結提升到六結到八結，甚至是更多；另一方面是提升填充因子。

5 艾邁斯歐司朗的車(chē)規級VCSEL產(chǎn)品路線(xiàn)

VCSEL 在短距離中的應用前景廣闊，但在激光雷達市場(chǎng)，VCSEL 的高度定制化帶來(lái)了巨大投資壓力。為此，艾邁斯歐司朗首先推出了標準化產(chǎn)品來(lái)幫助客戶(hù)評估其系統，部分已經(jīng)通過(guò)芯片部分相關(guān)的車(chē)規或正在認證的路上。

在Flash 雷達領(lǐng)域，目前，艾邁斯歐司朗從五結層到八結層的產(chǎn)品樣品已達到2 000 W/ 平方毫米的功率密度。在1D 和2D 領(lǐng)域，艾邁斯歐司朗的OSLO 和Riga平臺可以與主流SPAD 有非常好的匹配。

6 艾邁斯歐司朗的EEL產(chǎn)品規劃

梁澤春表示，EEL 領(lǐng)域的裸片產(chǎn)品， 如65 W、125 W，以及低溫漂和多通道產(chǎn)品，可能已為大家所熟知。我們更推薦封裝產(chǎn)品，封裝產(chǎn)品不僅將裸片的處理難題交由元器件廠(chǎng)家解決，還采用了低成本的標準化封裝方式，如常見(jiàn)且已經(jīng)達到車(chē)規標準的QFN 封裝。因此，我們建議優(yōu)先選擇封裝產(chǎn)品，而不是裸片。

此外，艾邁斯歐司朗可以提供完全滿(mǎn)足車(chē)規要求的SMD 封裝技術(shù)，支持從單通道到多通道，從125 W 增至500 W，8 通道更可達1 000 W。而艾邁斯歐司朗的研發(fā)還不止于此，也涉及更多通道更高功率更小體積的解決方案。

7 結束語(yǔ)

無(wú)論是邊發(fā)射激光器（EEL）還是垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL），艾邁斯歐司朗均專(zhuān)注于提供高度專(zhuān)業(yè)化的激光雷達技術(shù)解決方案。我們的產(chǎn)品線(xiàn)涵蓋從低功率到高功率，從單通道至多通道，以及從Flash 技術(shù)到1D 和2D 掃描技術(shù)。除此之外，艾邁斯歐司朗還深耕于車(chē)規級別的產(chǎn)品認證，確保產(chǎn)品的安全與可靠性。全球范圍內，無(wú)論是哪種技術(shù)應用架構，我們都與頂級的Tier1 供應商和原始設備制造商（OEM）保持長(cháng)期而成功的合作伙伴關(guān)系。

（本文來(lái)源于EEPW 2023年12月期）