横评 | 谁是纯种全固态闪光激光雷达

5月21日，长城汽车高端SUV车型WEY摩卡上市，搭载1个远程、2个中程激光雷达，最大探测距离250米；配备“准L3级”HWA高速驾驶辅助功能，后期可升级为NOH高速自动领航辅助驾驶。媒体称，是为全球首款搭载车规级全固态激光雷达的高档自动驾驶量产车型。

仔细一看，近期一些激光雷达发布都使用了闪光（flash）技术。之前业内一些专家认为，闪光式激光雷达体积是很小，但近距离会曝光过度，远距离又测不到，测距在50米内；而使用的APD（雪崩光电二极管）价格昂贵，落地不易。

不谋而合的闪光

艾迈斯半导体

其实，去年德国汉堡的ibeo Automotive就已成为长城汽车全球首家固态激光雷达供应商，其第二款ibeoNEXT闪光激光雷达将上车WEY品牌，据说还是4D的。

2019年，英飞凌曾与Sense Photonics签约为自动驾驶汽车改进激光雷达技术，今年初，后者展示了适用于大众汽车市场的全球首款940nm全局快门闪光激光雷达。

今年3月，安森美半导体与LeddarTech合作，推进激光雷达技术开发和商业化，旨在制造一系列参考架构，为模块制造商、系统集成商及Tier 1提供平台。而后者的产品还是3D闪光激光雷达。

不难发现，激光雷达公司背后都有半导体厂商的身影，当然前者也有自己的专知，合作正在加快激光雷达的商用落地。

欧司朗/ams+ibeo的4D固态

ibeoNEXT固态激光雷达提供优异的大检测范围、高分辨率和大垂直角度。由于ibeoNEXT可以额外生成环境强度图像，也可作为黑白摄像头使用，所以称其为“4D”，是不是实现全自动驾驶的一个里程碑还不好说。

ibeoNEXT是一个纯半导体解决方案，没有移动部件，紧凑型扫描器体积更小、更坚固。ibeo也在为下一代汽车开发“大脑”，将激光雷达获取的环境数据不断与数字地图的方位点进行比较，以确定汽车的精确位置。

今年3月，艾迈斯半导体（ams）与欧司朗正式合并。长城汽车ibeoNEXT固态激光雷达方案是ams的特定光源VCSEL（垂直腔表面发射激光）技术，是为其核心组成部分。

其128×80的VCSEL阵列（10240个）利用闪光水平行生成垂直线扫描，由光学透镜组件调整视野和范围，最长距离250米，涵盖狭窄的12度水平视野，最宽视场为60度。VCSEL阵列具备出色的功率密度、转换效率和间距。通过集成功能性安全标准提供增强功能和护眼功能，实现高可靠性。

VCSEL技术原理 VCSEL技术原理

据介绍，在扫描式和泛光面阵式激光雷达应用中，大功率VCSEL不易受单个发射器故障的影响，在工作温度范围内更加稳定，且易于集成。

ams采用的技术是ToF（飞行时间）感测技术，利用光源和接收器进行远程目标探测和测距。计算发送和接收的光脉冲之间的时间即可得出距离。最常见的实现方法是直接飞行时间（D-ToF）。

ToF传感器

得益于ams开发的复杂直方图数据和智能软件算法，其ToF传感器具有以下功能：

能够检测并抵消覆盖玻璃的影响

免疫由污渍和由玻璃罩反射引起的串扰

容纳较大的气隙

独立于对象的颜色、反射率和纹理，保持精确的距离检测

可以测量视野中多个物体之间的距离

ams的VCSEL比其他类型光源具有特殊优势，如边缘发射激光器，其较窄的波长带宽（特别是温度）可在接收器处进行更有效滤波，提高信噪比。由于发射的是垂直圆柱形光束，集成到系统中更加简单。

VCSEL阵列通常由50-10k单个发射器组成，与只有1-3个发射器的典型EEL（边缘发射器）相比，单个发射器故障的影响非常有限。

ams战略营销经理Jeroen Biesterbos承认，由于激光雷达是一项新兴技术，其成熟度、成本和体积仍有待改进，但VCSEL组合有助于客户在三个方面实现阶跃功能改进。

与其他类型激光器相比，VCSEL有许多优点：

表面发射（非边缘发射），在可寻址阵列中提供设计灵活性

解决激光波长的低温依赖性

优异的可靠性

晶圆级制造工艺

ams VCSEL技术包括外延结构和芯片设计、外延生长、前端和后端处理、封装以及高级测试和模拟。

当然，ibeo也没闲着，5月中旬，为推进量产、节省供应商和主机厂的时间和成本，它提出了新的自动化总体参考方案，用来验证ADAS和AD应用的车辆传感器。

英飞凌+Sense的真正固态3D

图源 | geekfence.com

英飞凌与美国旧金山的Sense Photonics合作后没有更多消息，反倒是后者动作迭出。今年年1月，Sense展示了适于大众市场汽车应用的全球首款940nm全局快门闪光激光雷达。

传统激光雷达解决方案使用现成的激光组件，用红外线照亮一列或一排光点，然后以机械方式扫描场景，以覆盖所需的全部视野（FOV）。由于不能捕获全帧数据，必须跟踪每帧返回的每个像素的时间戳；如果目标（如高速车辆）在该帧内移动，还要使用该信息来校正运动模糊。

为什么传统方法要扫描激光呢？Sense指出，答案就在于激光源，其扫描需求是因为激光只能照亮那个微小的点，而不是所需的视场，所以必须将激光光点移动到整个视场以实现全覆盖。这会导致射程、分辨率、帧速率和视野之间的内在权衡问题；还增加了系统复杂性和昂贵的光学元件，并在装配过程中引入了繁琐的校准和对准过程。因此，它给客户带来了高成本传感器的负担，还会有许多潜在故障点，在现实使用中，这些故障点与可靠性和耐久性相互掣肘。

在汽车中实际使用机械传感器的大多数客户都非常熟悉这些故障，特别是旋转式激光雷达，其内部轴承可能频繁出现故障，必须翻新或更换。此外，无论是旋转、基于MEMS还是利用电流计，在高振幅振动脉冲（车辆整个使用寿命期）期间都难以保持深度精度。因此，只有完全不需要扫描的架构才是实现量产市场的最佳长期架构。

与传统技术不同，Sense的闪光架构无需在发射器与接收器之间进行精细对准，可在振动条件下保持传感器校准和深度精度。该平台只需简单改变光学器件就能按需调节，是第一个能够以同一架构提供短距离和长距离功能的平台。

过去，为了扩展ADAS和AV的小众汽车研发项目，激光雷达必须符合汽车可接受的系统成本、封装和可靠性要求。Sense通过设计特定应用的VCSEL和SPAD（与ams如出一辙），利用晶圆级制造的经济性推进了性能极限。

Sense的创新闪光架构可以实现200米探测，引起了汽车制造商和Tier 1的兴趣。目前客户仍在评估其系统，预计2021年中上市，2024年底开始量产，估计产品成本为数百美元。

Sense倡导激光雷达从照明开始，其做法是让15,000个VCSEL阵列同时闪光，照亮其SPAD收集器上的140,000像素。安装在曲面上的VCSEL可扩大视野，30度水平场最大200米射程是用表面贴装扁平芯片实现的。

Sense的芯片和VCSEL阵列

Sense专有的发射器和SPAD传感器技术包括几个部分，Sense Silicon是一款背面发光CMOS SPAD器件，像素数超过140,000个，可与Sense Illuminator（发光体）无缝配合，后者是一种分布式940nm激光阵列，共有15,000多个VCSEL。它们共同构成了类似摄像头架构的核心构件。

许多激光雷达公司依赖低效的边缘发射激光二极管或高成本光纤激光器，Sense使用VCSEL阵列，并将每个芯片尺寸缩小到小于头发丝的宽度。换句话说，可以把250个VCSEL装在一个相当于针头的区域里！

看看这些阵列是怎么构建的，首先在晶圆上生长数百万个VCSEL，然后使用微转移打印（MTP）专利技术在热传导柔性基板上一次“打印”数千个VCSEL，能够输出千瓦的峰值光功率，同时保持Class 1眼睛安全，消耗平均功率非常小。

Illuminator还具有独特灵活属性，可通过控制其弯曲量来定制水平视野。阵列上每个芯片工作波长为940nm，其太阳通量输出非常小，可消除来阳光干扰。

安森美+LeddarTech的100%固态

看看安森美半导体在与LeddarTech合作中提供了什么技术。与传统APD相比，安森美的硅光电倍增管（SiPM）传感器具备单光子灵敏度，性能一流，在明亮户外环境可识别300米范围内的低反射率目标。SiPM的快速输出模式与LeddarTech最新LCA3片上系统（SoC）的全波形信号处理功能结合，可实现16通道激光雷达系统新的参考架构。

SiPM是一种高增益、单光子敏感传感器，用于近红外可见光波长探测。ArrayRDM−0112A20−QFN是一个单片1 × 12 SiPM像素阵列，基于市场领先的RDM SiPM CMOS工艺，适用于制造905/940nm近红外波长下实现高PDE（光子探测效率）的产品，通常用于激光雷达和3D dToF测距应用。

再看LeddarTech做了什么。它推出的Leddar Pixell是一种180度视野3D闪光激光雷达，专为ADAS和自动驾驶应用设计，能够高度可靠地检测车辆附近的行人、骑自行车人和其他障碍物。

这种坚固的固态像素激光雷达弥补了用于地理定位的机械扫描产品的局限性，完整的盲点覆盖使照明视野中没有死区，消除了后者数米的盲区。该产品已被北美和欧洲领先自动驾驶车辆供应商采用。2020年，Pixell成为CES创新奖获得者，居然还获得了深圳市汽车电子行业协会颁发的“优秀创新产品奖”。

LeddarTech应用工程师Patrice Dionne表示：“我们的产品是市场上最坚固的激光雷达，因为从一开始就是为最恶劣的出行环境设计的，经过独立实验室的各种抗冲击、振动和灰尘测试。”

Pixell的主要特点包括：100%固态设计；无风扇IP67外壳；一流的抗冲击和振动性能；工作温度范围宽；采用抗冲击窗和汽车级连接器。

从原理上看，Leddar感测的核心是漫射光脉冲、反射光收集和全波形分析（包括过采样和积累）。光源类型、光源数量及照明和接收光束都可根据特定应用要求定制，如探测范围、光束和空间分辨率。

Pixell的核心是片上数据采集与处理系统（LeddarCore SoC）与软件库共同（LeddarSP™）构成的LeddarEngine™，产品分为LCA2和LCA3，采用并行采集模式，多片上集成同步，以增加采集通道和FoV。

其中LCA3信号采样与预处理每秒大于50亿个，波形数十万个；支持闪光、混合闪光和其他激光雷达架构；设计符合AEC-Q100和ASIL-B/ISO 26262标准，非常适合中高端应用。

两款激光雷达SoC不仅是简单的多通道数据采集组件，还充当光发射和采集定时控制器，并执行第一层数据预处理，最大限度提高基于光ToF测量的任何激光雷达设计。在单独MCU上运行的LeddarSP™ 的先进数据分析可实现高精度和大范围距离测量。LeddarCore特别适合具有信号处理专知的激光雷达制造商开发新的固态激光雷达产品，加快其上市时间。