“所謂的光輝歲月，並不是以後閃耀的日子，而是無人問津時，你對夢想的偏執。”

 

來來晃晃

我以為已經選定了軟體研發

沒想到最終還是無緣~

還是好好滾到自己的硬體上去~

是的，感測器融合

無論怎樣，好像都安排好了似的~

加油吧！

 

無人駕駛汽車之所以無需人工操作，是因為它能代替人的感官去自動識別道路資訊和行人，然後控制汽車完成壁障等功能。 而代替人的眼睛和聽覺進行環境感知的部分我們稱作感測器。目前，鐳射雷達、毫米波雷達、視覺感測器是用於周圍環境感測的主流手段。 而在探測精度、探測距離、穩定性和對周圍環境適應性等關鍵效能上，鐳射雷達都有著明顯優勢。它通過成對的發射器和接收器，發射和接收 鐳射束 來繪製周圍環境的點雲圖像，發射器和接受器越多，鐳射束越密集，對周圍環境的感知就越精準。我們常說的64線鐳射雷達，就是指有64組發射和接收器。

今天就來感受下鐳射雷達的魅力~

 

 

鐳射雷達（LIDAR）目前主要分為普通的機械式旋轉雷達、混合固態雷達和不旋轉固態雷達。

傳統的機械式旋轉LIDAR在地圖領域的使用較為成熟，從發明出來到現在持續了10年左右的時間，但是由於價格極其昂貴，算是奢侈品，暫時給主機廠量產的可能性較低；而固態鐳射雷達，市場上普遍的認識就是沒有機械旋轉的就是固態LIDAR，其優點有：資料採集速度快，解析度高，對於溫度和振動的適應性強，而且價格低廉，效能穩定，通過波束控制，探測點（點雲）可以任意分佈，例如在高速公路主要掃描前方遠處，對於側面稀疏掃描但並不完全忽略，在十字路口加強側面掃描，而只能勻速旋轉的機械式鐳射雷達是無法執行這種精細操作的，但是相對來講，固態鐳射雷達的技術還不成熟，還在探索研發中。

所以，簡直是坑啊，技術成熟的太貴，沒法量產，成本可以量產的，技術又不成熟~

 

那怎樣，要實現自動駕駛的落地，尤其是L3、L4、L5級的，各大OEM廠、創業公司絞破腦汁，思前想後，感覺鐳射雷達還是沒辦法用其他感測器替代，畢竟自動駕駛落地最大的問題就是安全性，99%不行，必須得99.9999999%~鐳射雷達可以保證那0.9999999%，嘿嘿~

好了，廢話少說，總之鐳射雷達不可或缺~

 

那怎麼解決呢

怎麼才能夠根本性的降低鐳射雷達成本而又可以保持其效能，使得自動駕駛可以量產落地？

 

具體的實現方式有3種：

❶取消機械旋轉結構，利用MEMS微振鏡（MEMS指的是微機電系統），將所有的機械部件整合到單個晶片，利用半導體工藝生產。基於MEMS的固態雷達，是通過微振鏡的方式改變單個發射器的發射角度進行掃描，由此形成一種面陣的掃描視野。目前基於MEMS方式的鐳射雷達，技術上更容易實現，且價格也比較低廉，有很多的廠家在研發，也因此被主機廠商一致看好。

日本先鋒公司，利用原本用於掃描鐳射影碟的光學頭，生產MEMS鐳射雷達，公司表示“當訂單達到100萬，先鋒便可以把價格控制在100美元以下，預計會在2019年開始量產。”

❷另外一個思路呢，是完全取消機械結構，通過調節發射陣列中每個發射單元的相位差來改變鐳射的出射角度，採用相控陣原理實現固態鐳射雷達：

那什麼是相控陣原理？

生活中最常見的干涉例子是水波，兩處振動產生的水波相互疊加，有的方向兩列波互相增強，有的方向正好抵消，將這個原理放大，採用多個光源組成陣列，通過控制各光源發射的時間差，就能合成角度靈活，且精密可控的主光束，這就是相控陣的原理。

                                                     

                                                                      

鐳射雷達從機械轉動向聚束成形的進化趨勢與雷達完全相同：軍事上廣泛應用的相控陣雷達一般擁有上千個發射天線單元，通過調節波束合成的方式，可以改變雷達掃描的方向而不需要機械部件運轉，靈活性很高，適合應對高機動目標，還可發射窄波束作為電子戰天線。相控陣還可以用於把宇宙太陽能電池板的能量傳回地面，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）已經進行過這方面實驗。

再來補充說明下光學相控陣的原理~

光學相控陣是怎樣通過控制發射陣列中每個發射單元的相位差來改變鐳射的出射角度呢？

我們可以通過一個簡單的比喻來認識光學相控陣是如何工作的（如下圖所示）：

假設有10個人在左側排成一列並排向前走，把他們的連線作為他們整體運動的陣列面，垂直於連線向右的方向為前進方向。

• 如果10個人走路的速度都一樣時，則陣列面將平行向前移動，其前進方向不會發生改變，如圖 （a）所示；

• 如果最上方的人走得最慢，其他人的速度從上至下依次逐步增加，最下方的人走得最快，則陣列面不再是平行移動，當經過一段時間後，最下方的人走得路程最遠，最上方的人走得路程最短，其陣列面的前進方向將向上方發生明顯的角度改變，如圖 （b）所示；

• 如果最上方的人走得最快，其他人的速度從上至下依次逐步減少，最下方的人走得最慢，則經過一段時間後，陣列面的前進方向將向下方發生明顯的角度改變，如圖 （c）所示。

        

                                                                    光學相控陣的工作原理距離說明

光學相控陣的工作原理與上面的比喻類似，它的每一個單元都可以對所通過的光（人）的速度進行控制。當一束光被分成許多個小單元（人），每小單元的光束（人）都通過一個光學相控陣單元，並被相控陣單元對其速度進行嚴格控制。當每個小單元的光束以同樣的時間通過光學相控陣後，其速度恢復到進入光學相控陣前的速度，但由於每個小單元的光束所走過的光程（路程）不一樣，通過光學相控陣後合成的波陣面（上面比喻中的陣列面）將發生明顯變化，從而使得光束的指向發生偏轉，這就是光學相控陣的基本工作原理。

上面舉的是一維掃描的例子，如果我們把光學相控陣做成向二維陣列（如Quanergy的方案），我們就可以實現二維的掃描。光學相控陣一般都是通過電訊號對其相位進行嚴格的控制實現光束指向掃描，因此也可以稱為電子掃描技術。相比於傳統的機械式LIDAR，它有掃描速度快、精度高、可控性好的優點。但也易形成旁瓣，影響光束作用距離和角解析度，同時生產難度高。

與傳統機械掃描技術相比，光學相控陣掃描技術有三大優勢：

• 掃描速度快：光學相控陣的掃描速度取決於所用材料的電子學特性和器件的結構，一般都可以達到MHz量級以上。

• 掃描精度或指向精度高：光學相控陣的掃描精度取決於控制電訊號的精度（一般為電壓訊號），可以做到μrad（千分之一度）量級以上。

• 可控性好：光學相控陣的光束指向完全由電訊號控制，在允許的角度範圍內可以做到任意指向，可以在感興趣的目標區域進行高密度的掃描，在其他區域進行稀疏掃描，這對於自動駕駛環境感知非常有用。

但光學相控陣掃描技術也有它的缺點：

• 易形成旁瓣，影響光束作用距離和角解析度：光束經過光學相控陣器件後的光束合成實際是光波的相互干涉形成的，干涉效果易形成如下圖所示的旁瓣，使得鐳射能量被分散。

• 加工難度高：光學相控陣要求陣列單元尺寸必須不大於半個波長，一般目前鐳射雷達的工作波長均在1微米左右，這就意味著陣列單元的尺寸必須不大於500納米。而且陣列數越多，陣列單元的尺寸越小，能量約往主瓣集中，這就對加工精度要求更高。

                     

在去年美國CES展上，Quanergy展出的“固態”Solid State鐳射雷達，是光學相控陣鐳射雷達，其滿足了鐳射雷達小型化的大趨勢，整個尺寸只有90mm x60mm x 60mm。用到的核心的技術有光學相控陣列Optical Phased Array、光學積體電路Photonic IC、遠場輻射方向圖Far Field Radiation Pattern。這款產品完全沒有機械韌體，可以稱得上的純固態鐳射雷達了。

另外，我們常說鐳射雷達的抗干擾能力強，那是因為傳統機械掃描的鐳射雷達接收視場特別小，外界的直接照射干擾訊號很難對準並進入鐳射雷達的接收視場。而且，鐳射雷達能接收到的背景光噪聲功率是與接收視場成正比的，視場越大，背景光噪聲功率越高。Quanergy的光學相控陣掃描僅能對發射鐳射束指向進行控制，不能實現接收光路進行同步掃描，這就要求S3鐳射雷達必須採用一個大視場的接收光學系統來接收鐳射的回波訊號。如果掃描角度範圍為±60º，那麼接收視場的角度也必須達到±60º，這會造成信噪比的下降，而且容易受到其他同類系統發射的鐳射訊號和太陽直射的干擾。

❸Flash LiDAR 屬於非掃描式雷達，發射面陣光，是以2維或3維影象為重點輸出內容的鐳射雷達。雖然穩定性和成本不錯，但主要問題在於探測距離較近。基於3D Flash技術的固態鐳射雷達，在技術的可靠性方面還存在問題，還在探索研發中。2016年3月，德國汽車供應商大陸集團（Continental）收購了 Advanced Scientific Concepts 的3D Flash鐳射雷達業務，開發探測距離200米的高解析度3D Flash鐳射雷達，2020年量產。

 

由於現有的機械式的鐳射雷達價格短時無法降下來，為了配合自動駕駛的普及，固態鐳射雷達也就逐漸成為了市場的寵兒。

在2016年的CES大會上， Quanergy釋出了號稱全球第一款固態鐳射雷達感測器S3，單個感測器成本僅需200美元；Velodyne在2016年末宣佈，他們已經在固態鐳射雷達的設計上取得突破，未來在大規模生產應用之後，可以將成本降低至50美元一臺。

固態LIDAR的價格在幾百美元附近，相比較動輒成千上萬美金的機械式旋轉LIDAR，無論是LIDAR廠商，還是主機廠，都看到了大規模普及的希望。

因此無論是國外的IBEO、Velodyne、Quanergy還是國內的鐳神智慧、速騰聚創、禾賽廣電等等公司，對外都有傳統機械式LIDAR的產品，對內或多或少都在研發固態LIDAR。當然國內外公司之間的發展步伐，還是存在一定區別的。

 

上面說了機械式旋轉雷達和固態鐳射雷達，

那混合固態呢？

Velodyne 的VLP-16 PUCK首次提出了“混合固態”鐳射雷達的概念，內部有非常小的機械旋轉部件，從外部看是看不出旋轉的。雖然Velodyne從VLP-16產品面世後才開始宣稱這款16先鐳射雷達採用“固態混合”（Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto）技術，但實際上Velodyne從其第一款64線鐳射雷達HDL-64開始，採用的就是固態混合技術。下圖 給出了Velodyne的HDL-64E、HDL-32E和VLP-16三款產品的內部結構照片，可以看出這三款產品除了HDL-64E的差異較大外，HDL-32E和VLP-16基本一樣，只不過VLP-16是在HDL-32E的基礎上減少了16線，並對結構進行了優化。但實際上HDL-64E和HDL-32E、VLP-16採用的都是同一種技術。類似的還有和 Valeo SCALA提供的“混合固態”鐳射雷達。SCALA是由IBEO與傳統汽車供應商法雷奧Valeo合作研發的，最終量產由法雷奧完成。

HDL-64E鐳射雷達內部照片：

                                  

HDL-32E鐳射雷達內部照片：

                

VLP-16 鐳射雷達內部照片：

                 

Velodyne所有的產品在俯仰方向（垂直於水平面方向）均採用了電子掃描技術，在方位方向（水平方向）採用機械360º旋轉掃描。從內部結構來看，其小型化的實現方法也是儘量減少內部旋轉部件，而外觀上無可見的機械旋轉部件。另外Quanergy的第一代鐳射雷達產品MARK VIII也是如此。

類似於VLP-16的固態混合鐳射雷達結構原理示意圖：

                 

該雷達前端有一個發射光學系統和一個接收光學系統，在發射光學系統後端有N組發射模組，而在接收光學後端有N組與發射模組一一對應的接收模組（圖中背面遮擋不可見）。當鐳射雷達開始工作時，N組發射模組和N組接收模組在電路的控制下按照一定的時間順序輪流工作，例如，在時刻1，發射模組1工作，發射鐳射脈衝，同時接收模組1接收目標反射的發射模組1發射的鐳射訊號；在時刻2，發射模組2工作，發射鐳射脈衝，同時接收模組2接收目標反射的發射模組2發射的鐳射訊號；……在時刻N，發射模組N工作，發射鐳射脈衝，同時接收模組N接收目標反射的發射模組N發射的鐳射訊號。這樣在俯仰方向就可以形成非機械式的光學掃描，其掃描角度間隔由兩個相鄰模組之間的間隔和光學系統的焦距來確定。Velodyne的所有產品在俯仰方向均採用這種“固態掃描”技術進行掃描，在方位方向通過機械掃描實現360º旋轉掃描，這就是Velodyne的“固態混合掃描”。

Velodyne的這種固態掃描技術具有以下優點：

• 掃描速度快：掃描速度只決於發射模組的電子學響應速度，不受材料的特性影響，可以實現比光學相控陣更高的掃描頻率。但其掃描角度一定設計好後就完全固定，不能通過電控進行改變。

• 接收視場小：這種掃描技術是一種發射和接收同步掃描技術，接收視場小，抗光干擾能力強，信噪比高。

• 可承受高的鐳射功率：這種掃描技術完全是在自由空間中進行，可以採用高峰值功率的鐳射脈衝進行高信噪比的探測。

同時，這種掃描技術也存在以下問題：

• 實現二維掃描比較困難：按照目前這種非整合式的模組化設計難以實現二維掃描，必須通過機械或其他方式實現另一維的掃描。整合化是這種技術發展的必然趨勢，也是實現二維掃描的關鍵。

• 掃描角度固定：但其掃描角度一定設計好後就完全固定，不能通過電控進行改變。

• 裝調工作量大：需要將發射和接收模組進行精密光學對準裝配，工作繁複，工作量大，大批量生產難度大。

基於MEMS的方式生產的固態LIDAR，也屬於“混合固態”，它有非常複雜的機械部件，這導致它很多的測試結果沒有重複性，難以保證測試的距離，保證每一束鐳射能夠收到反饋。因此目前來看，採用MEMS跟Flash的方式還不能直接大規模應用在無人駕駛上。

總結~

可以說，現在有：1）機械式鐳射雷達

                             2）混合固態鐳射雷達（Velodyne）

                             3）基於光學相控陣固態鐳射雷達（Quanergy）

                             4）基於MEMS式混合固態鐳射雷達

                             5）基於FLASH式固態鐳射雷達

Quanergy的光學相控陣掃描技術和Velodyne的固態混合掃描技術各有優缺點。Velodyne的產品多年來已經得到實際的驗證和使用，其使用者遍及了汽車主機廠、自動駕駛研究機構和三維測繪等領域，目前是大家公認的市場老大。但因受到繁複的精密光學裝調工作量的影響，目前Velodyne的產能嚴重受限，遠遠跟不上市場的需求。整合化是Velodyne解決裝調和成本問題的必然之路。可以看到，Velodyne已經開始向整合化的道路邁進，一旦實現高度整合後，其產能將不再受到制約，其成本也會大幅度降低。

Quanergy的光學相控陣技術代表的是一種新技術，但新技術就意味著技術不完善。如果Quanery無法解決旁瓣、信噪比和光干擾等問題，實現遠距離成像，那Quanergy的市場前景堪憂。一旦技術突破後，Quanergy必然能在市場上佔據重要的位置。Quanergy在今年的CES展上透露，一季度可以向合作伙伴提供量產的S3產品，四季度可以提供給其他客戶，這對使用者來說是個利好訊息。

 

展望~

國內的機械雷達目前基本處於展示Demo狀態，以及標定資料所用，對於傳統的乘用車來說，只在造型上就無法接受。工程車可以不用過多考慮外觀而得到應用，但乘用車還是會優先考慮固態的鐳射雷達。

相控陣LIDAR的特性非常突出，但它從概念性產品到工業級產品，再到可量產化的產品還需要一定的時間。因此目前的觀點是偏向於MEMS鐳射雷達。

業內人士透露，未來基於MEMS的LIDAR，成本可能會在千元左右，可以很好的緩衝傳統機械式LIDAR的價格昂貴，以及相控陣純固態LIDAR短時不能落地的尷尬。如果發展順利，MEMS的LIDAR將來會取代機械式LIDAR，如果再看的遠一點，相控陣LIDAR實現，將會是最後的贏家。

對比國外廠商早早在低價策略上的口號，國內廠商還處在迎面追趕的階段。業內人士透露，國內的廠商在技術的可靠性以及滿足車規標準方面，還存在較大的差距，與外企存在3-5年左右的差距。

國內鐳射雷達市場在車載領域的應用研究，才進行了兩年左右，但機會在於距離自動駕駛市場成熟以及真正大規模應用還有5年左右的時間。這也給國內鐳射雷達廠商預留了一定的時間視窗。

國內的廠商在發展LIDAR的路徑以及思維上，都有不同的考慮，但無論怎樣，都需要找到一條靠譜的盈利道路。未來的路還長，國內的企業首要解決的問題應該是生存，做好長期戰鬥的準備！

 

 

接下來

還是說一說Velodyne吧~

誰讓它太牛呢。

江湖地位：有無人駕駛的地方就有它；Velodyne在鐳射雷達界的地位，亦如晶片界的英特爾、搜尋界的谷歌，絕對的盟主。

這家公司創立於1983年，起初只是一家無線電公司，2005年機緣巧合，專注研究鐳射雷達。07年便推出了64線鐳射雷達產品，2010年穀歌首測的無人駕駛汽車用的鐳射雷達就是Velodyne提供的。目前Velodyne全部員工為250人，80%是技術人員。2016年8月份，Velodyne LiDAR 獲得福特汽車與百度 1.5 億美元的共同投資。

用Velodyne官方的話說，凡涉及自動駕駛研發投入的主機廠、地圖廠商以及自動駕駛運營專案幾乎都是Velodyne鐳射雷達產品的客戶。

2015年，Velodyne鐳射雷達的出貨量為3000多，而到了2016年，Velodyne鐳射雷達的出貨量則激增至2萬個，2017年的交貨量差不多在20萬個。

據公開資料，不僅谷歌、百度、Uber、福特、通用、賓士等知名的無人駕駛技術代表，四維圖新、微軟Bing、Here、高德、TomTom等高精度地圖廠商，以及新加坡政府、臺灣的智慧小鎮等專案都採用了Velodyne的鐳射雷達方案。

介紹一下VLP-16：

 VLP-16鐳射雷達是Velodyne公司出品的最小型的3維鐳射雷達，保留了電機轉速可調節的功能。實時上傳周圍距離和反射率的測量值。VLP-16具有100米的遠量程測量距離。精巧的外觀設計使得安裝非常方便。重量輕，只有830g，非常適合安裝在小型無人機和小型移動機器人上。每秒高達30萬個點資料輸出。±15°的垂直視場，360°水平視場掃描。IP67的防護等級。支援兩次回波接收，可以測量第一次回波和最後一次回波的距離值和反射強度值。

技術引數：

鐳射線數：16線
測量範圍：高達100m
測量精度：±3cm
支援兩次回波
垂直測量角度範圍：30°（﹢15°到﹣15°）
垂直方向角度解析度：2°
水平方向測量角度範圍：360°
水平方向角度解析度：0.1°到0.4°
測量頻率：5到20Hz
可以通過網路瀏覽器監測和改變電機的轉速
鐳射安全等級：1級（人眼安全）
鐳射波長：905nm
感測器功率：8W（典型值）
工作電壓：9-32V
重量：830g
外形尺寸：103mmX72mm
振動測試：500m/sec² 振幅，持續時間11msec 
振動：5 Hz to 2000 Hz, 3G rms
防護等級：IP67
工作溫度：﹣10℃到﹢60℃
儲存溫度：-40℃到﹢105℃

輸出：
每秒高達30萬個測量點輸出
100M快速乙太網連線
資料包包含：距離值、物體反射率、旋轉角度、同步時間
支援外接GPS

 

end~

2018年8月7日16:29:13