深度解析:激光器與雷達(dá)如何打好配合?

近年來，激光雷達(dá)技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和提及，但在實(shí)際應(yīng)用中，其效果似乎尚未完全達(dá)到預(yù)期。雖然有些汽車已經(jīng)配備了激光雷達(dá)，但其潛在的效用尚未得到充分發(fā)揮。在汽車領(lǐng)域，如何充分利用激光雷達(dá)為自動駕駛或輔助駕駛帶來優(yōu)勢仍是一個(gè)挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)還在摸著石頭過河。

作為LiDAR 技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，艾邁斯歐司朗從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，深入洞察激光雷達(dá)的場景需求?；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，旨在為客戶提供最佳的激光雷達(dá)解決方案。

圖1 激光雷達(dá)應(yīng)用場景（圖片來源：艾邁斯歐司朗）

1 激光雷達(dá)最原始的應(yīng)用場景：測距

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

在實(shí)際駕駛中，當(dāng)遇到緊急情況需要進(jìn)行緊急剎車時(shí)，激光雷達(dá)來測距主要考慮兩個(gè)核心因素：1、反應(yīng)時(shí)間：即駕駛員發(fā)現(xiàn)障礙物到真正開始剎車的時(shí)間間隔。這段時(shí)間內(nèi)，車輛將繼續(xù)前進(jìn)，形成一個(gè)所謂的“反應(yīng)距離”。2、剎車距離：即從駕駛員開始剎車到車輛完全停穩(wěn)所需的距離。例如在車速為50km/h 時(shí)，可能需要40m 的剎車距離；而當(dāng)車速達(dá)到130km/h 時(shí)，這一距離可能擴(kuò)展至200m，如圖1 的表格中所示。因此，根據(jù)這兩大因素，激光雷達(dá)測距可區(qū)分長距離、遠(yuǎn)距離和中距離三大主要應(yīng)用場景。

此外，分辨率也是決定雷達(dá)性能的關(guān)鍵因素之一，它決定了激光雷達(dá)能夠檢測到的物體的大小和清晰度。我們假設(shè)了三種基本場景：人的身高（約1.5m）、路標(biāo)（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(jù)這些對象的高度，以及激光雷達(dá)的工作距離，就可以確定所需的角度分辨率。

圖2 激光雷達(dá)在汽車應(yīng)用中的場景（圖片來源：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)間差帶來的測量偏差。

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

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

各種場景都有其特定的需求，這導(dǎo)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駕駛等激光雷達(dá)長距離應(yīng)用提出的基準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 激光雷達(dá)長距離使用案例（圖片來源：艾邁斯歐司朗）

對于短距離應(yīng)用，停車場景是一個(gè)明確且常見的參考點(diǎn)（見圖4）。從中，我們可以看到其垂直視場角度與長距離應(yīng)用截然不同。長距離的垂直角度為25°，短距離需要達(dá)到90°。而在水平方向，要實(shí)現(xiàn)充分的短距離覆蓋，角度需至少為140°或150°。然而在短距離應(yīng)用中城市駕駛的場景較為復(fù)雜，涉及多種速度和環(huán)境。目前，城市駕駛的NOA 標(biāo)準(zhǔn)仍在討論中，大致上有兩個(gè)建議：1、制定全新的規(guī)格，需要考慮到測距、角度等多方面因素，要求極高；2、結(jié)合短、長距離雷達(dá)，如采用一顆主雷達(dá)＋兩顆輔雷達(dá)，或者其它如2 ＋ 2、2 ＋ 3、2 ＋ 4 的雷達(dá)組合方案。

圖4 激光雷達(dá)短距離使用案例（圖片來源：艾邁斯歐司朗）

2 雷達(dá)激光器技術(shù)發(fā)展分析

確定了激光雷達(dá)應(yīng)用場景之后，讓我們來看看激光器的發(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(dá)到60000W/ 每平方毫米，大約是VCSEL 的數(shù)十倍（圖6），因此，其在光功率密度占據(jù)絕對優(yōu)勢，特別適用于遠(yuǎn)距應(yīng)用。

●   VCSEL：VCSEL 的優(yōu)勢在于其垂直發(fā)射結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的應(yīng)用中具有優(yōu)勢。另外，相比邊緣發(fā)射，VCSEL 的溫度漂移問題相對較小，這意味著在變化的環(huán)境溫度下，它可以提供更穩(wěn)定的性能。VCSEL 在短距固態(tài)應(yīng)用中有優(yōu)勢，但在中長距離應(yīng)用中會有挑戰(zhàn)。

●   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(tǒng)的理想選擇。但其復(fù)雜性顯著增加，而且成本以及過車規(guī)是挑戰(zhàn)，市場接受度相對較窄。不是一個(gè)長期發(fā)展之選。

根據(jù)知名分析機(jī)構(gòu)Yole 的報(bào)告，在雷達(dá)激光器方面，EEL 占據(jù)市場主導(dǎo)地位，VCSEL 也開始逐漸被應(yīng)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(shù)一覽（圖片來源：艾邁斯歐司朗）

圖7 幾種激光器的市場份額（數(shù)據(jù)來源：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(jù)自身的雷達(dá)技術(shù)路線和策略，選擇采納不同的激光器技術(shù)，導(dǎo)致市場上出現(xiàn)了多種技術(shù)并存、競相輝映的現(xiàn)象。

3 激光雷達(dá)與激光器如何適配？

激光雷達(dá)技術(shù)主要包括機(jī)械旋轉(zhuǎn)式、MEMS 及Flash 雷達(dá)等多種技術(shù)路線。根據(jù)知名分析機(jī)構(gòu)Yole 的報(bào)告，當(dāng)前市場上主要采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)，占據(jù)較大的市場份額。盡管MEMS 雷達(dá)在市場份額上尚處于較小狀態(tài)，但預(yù)期其在未來三年將會迅速增長。長遠(yuǎn)看來，F(xiàn)lash 雷達(dá)技術(shù)可能會成為主流。

從激光器的選擇和適配當(dāng)中來看，機(jī)械旋轉(zhuǎn)雷達(dá)方案中目前是EEL 為主，有少量VCSEL 的方案。在MEMS 和棱鏡式雷達(dá)中，也基本都是以EEL 為主。而在分區(qū)覆蓋的1D、2D 的應(yīng)用中，只有VCSEL 能做。在全覆蓋固態(tài)雷達(dá)方面最大的挑戰(zhàn)是長距的應(yīng)用，目前看EEL 和VCSEL 都難以勝任。

圖8 雷達(dá)技術(shù)市場份額發(fā)展趨勢（數(shù)據(jù)來源：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EEL 與VCSEL 激光器技術(shù)的應(yīng)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(kuò)展到多通道，逐步向線光源和面光源發(fā)展。

2、繼續(xù)提高光功率和效率，這是核心之爭。通過芯片技術(shù)的革新帶來的多結(jié)技術(shù)。其所帶來的直觀提升是，以前的功率為65 W 的設(shè)備，現(xiàn)在可以在相同的體積和驅(qū)動條件下，增加到100 W。同樣地，原先120 W的設(shè)備現(xiàn)在有可能達(dá)到180 W 甚至200 W。

3、與VCSEL 不同，EEL 并不能通過增大面積來提高功率，但通過提升諧振腔的腔長，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。原來的220 mm 的尺寸現(xiàn)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)于溫度漂移的問題，對艾邁斯歐司朗而言已不是難事。如圖10 綠色線所示，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(nèi)的偏移空間從35 nm 減少到10 nm。首批客戶反饋表明，減少30 nm 的波長偏移可以通過降低背景噪聲（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(tuán)隊(duì)一直在利用其天然的優(yōu)勢，特別是在尋址能力上，無論是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，一方面是通過提升結(jié)數(shù)，從三結(jié)、五結(jié)提升到六結(jié)到八結(jié)，甚至是更多；另一方面是提升填充因子。

5 艾邁斯歐司朗的車規(guī)級VCSEL產(chǎn)品路線

VCSEL 在短距離中的應(yīng)用前景廣闊，但在激光雷達(dá)市場，VCSEL 的高度定制化帶來了巨大投資壓力。為此，艾邁斯歐司朗首先推出了標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品來幫助客戶評估其系統(tǒng)，部分已經(jīng)通過芯片部分相關(guān)的車規(guī)或正在認(rèn)證的路上。

在Flash 雷達(dá)領(lǐng)域，目前，艾邁斯歐司朗從五結(jié)層到八結(jié)層的產(chǎn)品樣品已達(dá)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(guī)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家解決，還采用了低成本的標(biāo)準(zhǔn)化封裝方式，如常見且已經(jīng)達(dá)到車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)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足車規(guī)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(dá)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(jié)束語

無論是邊發(fā)射激光器（EEL）還是垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL），艾邁斯歐司朗均專注于提供高度專業(yè)化的激光雷達(dá)技術(shù)解決方案。我們的產(chǎn)品線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規(guī)級別的產(chǎn)品認(rèn)證，確保產(chǎn)品的安全與可靠性。全球范圍內(nèi)，無論是哪種技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)，我們都與頂級的Tier1 供應(yīng)商和原始設(shè)備制造商（OEM）保持長期而成功的合作伙伴關(guān)系。

（本文來源于EEPW 2023年12月期）