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

汽車產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷著技術(shù)變革和轉(zhuǎn)型。在此發(fā)展背景下，其中最熱議的話題之一就是向自動駕駛技術(shù)方向發(fā)展。汽車制造商或系統(tǒng)供應(yīng)商能否在市場上長期站穩(wěn)腳跟可能將成為決定性的標(biāo)準(zhǔn)。因此，這對于制造商而言不僅意味著挑戰(zhàn)，同時也為適應(yīng)未來發(fā)展創(chuàng)造自我定位的機會。目前存在兩種不同的形勢或策略。

一方面，傳統(tǒng)汽車制造商不斷將駕駛輔助系統(tǒng)的功能逐步擴展為半自動駕駛技術(shù)。這一趨勢已充分考慮大眾市場的市場條件。在大眾市場可迎合全自動駕駛的最終擴展階段之前，肯定還需要經(jīng)過幾年的市場發(fā)展時間。因為在公共道路上投入使用之前，除了必須獲得必要的認(rèn)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 (Bitkom) 的一項研究表明：雖然公眾對自動駕駛汽車充滿期待，但仍有超過 70% 以上的受訪者對安全問題有所顧慮。 在自動駕駛技術(shù)的探索歷程中,對不同傳感器進行融合以及對光學(xué)激光系統(tǒng)進行集成用于環(huán)境檢測的技術(shù)已成為核心趨勢。

在中國，自動駕駛的利好已經(jīng)來臨，3月9日，中國工信部官網(wǎng)公示了《汽車駕駛自動化分級》推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)報批稿，擬于2021年1月1日開始實施。此版分級標(biāo)準(zhǔn)基于駕駛自動化系統(tǒng)能夠執(zhí)行動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)的程度，根據(jù)在執(zhí)行動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)中的角色分配以及有無設(shè)計運行條件限制，將駕駛自動化分成 0～5 級。業(yè)內(nèi)認(rèn)為，對于自動駕駛技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用落地而言，國家標(biāo)準(zhǔn)的出臺是關(guān)鍵的前置條件，明確的分級標(biāo)準(zhǔn)將有助于促進各類自動駕駛汽車的量產(chǎn)與落地進程。

要實現(xiàn)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(fù)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(rèn)為是L3～L5級自動駕駛汽車必需的核心傳感器。

根據(jù)MarketsandMarkets預(yù)計，自動駕駛等所用激光雷達市場規(guī)模預(yù)計將從2019年的8.44億美元增長到2024年的22.73億美元，2019年-2024年的復(fù)合年增長率為18.5%。 面對如此誘人的巨大蛋糕，各路激光雷達大廠的目標(biāo)與野心已顯示無疑：開發(fā)可應(yīng)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。

傳感器融合實現(xiàn)必要的安全性

ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) 為復(fù)雜的駕駛輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)中有許多必須相互作用的模塊功能。目前，關(guān)于哪些系統(tǒng)中的哪些組件可用于實現(xiàn)自動駕駛技術(shù)方面正作出突破性的決定。例如自動駕駛需要對其周圍環(huán)境構(gòu)造出全面的 3D 視圖，因此算法系統(tǒng)才可確定汽車的下一步動作。對周圍環(huán)境構(gòu)造視圖時，攝像系統(tǒng)、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(tǒng)視為攝像系統(tǒng)或雷達系統(tǒng)的競爭解決方案。如今，幾乎所有的專家和制造商都一致認(rèn)為，不應(yīng)該用“非此即彼”的觀念使用這些不同的系統(tǒng)，而是應(yīng)該“兼而有之”。因為只有將 LiDAR 系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)和攝像系統(tǒng)進行傳感器融合時，才可實現(xiàn)全自動駕駛的基本安全性。

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(tǒng)的協(xié)調(diào)性越好，越能提高車輛在交通情況中的安全性。通過結(jié)合以上所使用三種技術(shù)的優(yōu)勢，即使在 250 米的距離中，自動駕駛車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系統(tǒng)，用于最大化地實現(xiàn)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(tǒng)的可靠性并從整體上優(yōu)化自動駕駛。市場已意識到這一發(fā)展趨勢，這不僅體現(xiàn)在近期傳感器制造商收購 LiDAR 技術(shù)的策略，同時也體現(xiàn)在目前諸如“LiDAR 成為 2019 年的汽車和工業(yè)應(yīng)用”等。根據(jù)Marketandmarket 報告，配備先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的高檔車數(shù)量每年都在增加。市場預(yù)測，預(yù)計至 2030 年，ADAS 汽車中的 LiDAR 技術(shù)的市場價值將提高至 110 億美元。

與雷達傳感器相比，LiDAR 系統(tǒng)更具突出優(yōu)勢，可遠距離實時生成高分辨率的 3D 視圖信息?，F(xiàn)代化系統(tǒng)會產(chǎn)生數(shù)以萬計的數(shù)據(jù)點。相比于高分辨率的攝像系統(tǒng)，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(tǒng)利用 LiDAR 技術(shù)來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(shù)據(jù)。

自動反應(yīng)的駕駛汽車不僅要可靠地探測前方的開闊“視線”（即最大距離為 250 m 的“遠距離 LiDAR”），同時還必須可靠地檢測出汽車的周圍環(huán)境。這種所謂的短距離或中距離 LiDAR（最大距離約 90 m）可滿足傳統(tǒng)的交通狀況，例如高速公路或城市交通中的超車操作。

五大技術(shù)領(lǐng)域的探索和成果

進一步開發(fā)輔助系統(tǒng)和使用 LiDAR 技術(shù)過程中的最大挑戰(zhàn)在于，目前眾多制造商正在測試的概念和系統(tǒng)架構(gòu)組成具有多樣性。例如可將 LiDAR 集成在車前燈中或作為緊裝式模塊嵌入散熱器格柵后側(cè)。

在實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化并使得 LiDAR 技術(shù)適用于大眾市場之前，技術(shù)供應(yīng)商必須為每個可能的組合提供合適的組件。

除了這一挑戰(zhàn)之外，近幾年也已在 LiDAR 的一般技術(shù)性能方面取得顯著進展。

提高性能和射程

由于真實駕駛環(huán)境十分復(fù)雜，例如高速公路與城市道路的不同場景，或者車型大小不同會造成制動距離不同，往往要求傳感器必須能覆蓋短距至中長距離。例如，目前國內(nèi)外用于自動駕駛的激光雷達探測距離規(guī)格大多是200米，在雨雪、霧霾等天氣條件下，探測距離會衰減為數(shù)十米。此外，針對干線運輸?shù)淖詣玉{駛卡車，激光雷達的探測距離需要達到500米以上，才能給剎車距離較長的卡車以充足的決策時間，從而提高安全性、降低油耗。

另外能耗方面，若激光雷達系統(tǒng)的能耗降低，能提高車輛的續(xù)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——對于私人車輛而言，要求即使投入運營多年后系統(tǒng)也能無故障運營。

大約 15 年前，歐司朗光電半導(dǎo)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(dāng)時該產(chǎn)品型號在電流為 30 安培時可輸出 75 瓦的光學(xué)性能。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是對芯片設(shè)計和外殼的優(yōu)化，在運行極限范圍內(nèi)顯著提高了性能。因此也明顯優(yōu)化了脈沖長度等其他參數(shù)。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 安培時可達到 125 瓦的性能。不僅提高了約 30% 的效率，同時還降低了系統(tǒng)運行的總成本。由于低感應(yīng)率和新型的 GaN （氮化鎵）場效晶體管技術(shù)，目前已可實現(xiàn) 2-4 ns 的短脈沖。

發(fā)射寬度和分辨率

激光系統(tǒng)在每個立體角中檢測出的點越多，區(qū)分度將越精確——類似于攝像系統(tǒng)中的像素。最早用于制動輔助系統(tǒng)的激光系統(tǒng)已經(jīng)可提前遠距離檢測前方路況。然而該系統(tǒng)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 時達到 65 W 的光學(xué)性能，這不僅將成為市場銷售的獨特亮點，同時也適用于檢測汽車的周圍環(huán)境并為下游系統(tǒng)提供高分辨率的圖像。

部件微型化

由于輔助系統(tǒng)越來越呈現(xiàn)復(fù)雜化，因此必須在越來越小的面積內(nèi)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。這一點在外殼的小型化上體現(xiàn)得尤為明顯。

第一代標(biāo)準(zhǔn)化的 TO-Metalcan 外殼直徑通常為 5.6 mm?，F(xiàn)在通用的 SMD 外殼不僅由于表面裝配技術(shù) (SMT) 而具有簡易組裝的優(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(dāng)系統(tǒng)設(shè)計者追求極深的集成度時，也需要對尺寸極小的芯片也進行微型化。目前的 SPL DP90_3 型號不僅具備光束質(zhì)量優(yōu)化的亮點，而且由于尺寸特別緊湊而受歡迎。由于節(jié)省空間的芯片安裝面積僅為 0.3 mm x 0.6 mm，因此系統(tǒng)制造商可以實現(xiàn)極為緊湊的設(shè)計。歐司朗光電半導(dǎo)體有限公司 (Osram Opto Semiconductor) 是第一家為各種系統(tǒng)方案提供完整產(chǎn)品組合的制造商，多年來該公司研發(fā)出了如今通用的 905 nm 波長。

新型組件降低系統(tǒng)復(fù)雜性

另一項挑戰(zhàn)是如何將 LiDAR 組件集成在生產(chǎn)線中。技術(shù)開發(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(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)工序中。此外，如何降低系統(tǒng)復(fù)雜性也是一個重要的目標(biāo)，安裝用于 ADAS 的每一個組件和傳感器將提高系統(tǒng)的復(fù)雜性。這要取決于系統(tǒng)供應(yīng)商想實現(xiàn)的集成度。系統(tǒng)供應(yīng)商也可將芯片完全集成至系統(tǒng)中，以最大化實現(xiàn)設(shè)計靈活性。

歐司朗公司在 2019 年秋季推出了第一款用于 LiDAR 應(yīng)用的 SPL S4L90A 型號的自動化 (AEC-Q102) 四通道脈沖激光器。四通道型式配備一個帶有四個發(fā)射范圍的芯片，功率為 480 瓦特時可達到最佳的光學(xué)性能。規(guī)格僅為 3.35 mm x 2.45 mm x 0.65 mm 部件在應(yīng)用中可實現(xiàn)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。另一個優(yōu)勢在于，即使在高電流中也可簡單地將熱能從部件中傳導(dǎo)出。特制的 SMT 外殼顯著簡化了系統(tǒng)開發(fā)人員對高性能激光器的系統(tǒng)集成。

邊緣和表面發(fā)射器

邊緣發(fā)射激光器 (EEL) 二極管通過較小的發(fā)射面在較小的空間內(nèi)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(yīng)用方面，EEL 技術(shù)已日趨完善。多年來，經(jīng)過不斷的改進滿足了汽車行業(yè)的高要求。然而，另一種照明技術(shù)也隨著 LiDAR 的發(fā)展而被應(yīng)用：垂直腔面發(fā)射激光器 (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)，簡稱：VCSEL。該激光器結(jié)合了兩種照明技術(shù)的特性——高功率密度和紅外 LED（IRED）的簡單封裝特點，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(yīng)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的波長穩(wěn)定性。目前 VCSEL 技術(shù)已經(jīng)率先在工業(yè)應(yīng)用、機器人技術(shù)和物流汽車等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。雖然該技術(shù)還未獲得汽車應(yīng)用的認(rèn)證，但這將是下一個必然目標(biāo)。與雷達、攝像系統(tǒng)或 LiDAR 技術(shù)相同，EEL 和 VCSEL 不應(yīng)該被看作是相互競爭的技術(shù)，而應(yīng)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一步發(fā)展 VCSEL 技術(shù)領(lǐng)域，以滿足 LiDAR 系統(tǒng)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(chǔ)上研發(fā)新型解決方案。對此類組件的技術(shù)特性進行優(yōu)化時，將重點放在性能、效率、穩(wěn)定性、緊湊性以及簡化集成安裝方面。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)域的客戶實現(xiàn)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上展出了波長為 940 nm 的芯片。單芯片的設(shè)計使得整體尺寸更小并且成本更低。該芯片是地圖繪制、無人駕駛交通系統(tǒng)和移動機器人等工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。

結(jié)語

目前 LiDAR 市場的主要參與者都在對未來的業(yè)務(wù)發(fā)展方向進行基本考慮。根據(jù)這些評估結(jié)果，相應(yīng)的行業(yè)調(diào)整將對新應(yīng)用的推廣速度和范圍產(chǎn)生巨大影響。第二個決定性因素為終端客戶對汽車行業(yè)新推出的創(chuàng)新產(chǎn)品的接受程度。

而在這之前，組件開發(fā)者的創(chuàng)新成就一方面在于為所有可能的應(yīng)用提供解決方案，另一方面在于將模塊設(shè)計為大眾市場可接受的尺寸和成本效益。像歐司朗這樣在汽車和工業(yè)化領(lǐng)域具備相關(guān)經(jīng)驗的供應(yīng)商具有決定性的優(yōu)勢，因為汽車行業(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(zhǔn) Robotaxi 車型系列，但對于私人系列生產(chǎn)的車輛而言，即使投入運營多年后系統(tǒng)也仍需無故障運行。到目前為止，只有少數(shù)供應(yīng)商能保證這一點。歐司朗光電半導(dǎo)體有限公司 (Osram Opto Semiconductor) 已投入使用一千萬個用于 LiDAR 的芯片并且不存在任何故障。未來可能在系統(tǒng)設(shè)計上為客戶帶來性能方面的進一步飛躍和簡化。

【作者介紹】

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

謝文峰先生于2020年7月加入歐司朗，任歐司朗光電半導(dǎo)體事業(yè)部大中華區(qū)及日本銷售副總裁，負責(zé)制定與執(zhí)行中國大陸、香港、臺灣地區(qū)及日本的銷售戰(zhàn)略及計劃，管理區(qū)域內(nèi)重大銷售項目、市場活動、商務(wù)拓展及銷路管理。

謝文峰先生是LED行業(yè)資深人士，擁有25年以上亞太區(qū)產(chǎn)品開發(fā)、銷售及市場推廣的經(jīng)歷，涉及領(lǐng)域包括傳統(tǒng)照明、固態(tài)照明及LED元器件。另外，他還為固態(tài)照明、移動閃存、電視及顯示屏背光、汽車等領(lǐng)域提供LED解決方案并擔(dān)任執(zhí)行管理人員。