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揭秘华为激光雷达

2020-10-12 13:22:34·  来源：佐思专利研究组  
　
华为最近展出了针对自动驾驶的一系列传感器，包括双目摄像头、毫米波雷达和激光雷达。这次我们首先解密华为的激光雷达，下次是双目摄像头。华为的保密工作一向是
华为最近展出了针对自动驾驶的一系列传感器，包括双目摄像头、毫米波雷达和激光雷达。这次我们首先解密华为的激光雷达，下次是双目摄像头。
 
 
华为的保密工作一向是业内最好的，因此别指望有太多公开资料，因此突破口还是选在专利上。2020年7月2日，世界知识产权组织国际局公布了华为的一项有关激光雷达的专利，发明名称为一种激光雷达测量模组和激光雷达。这是华为激光雷达领域覆盖面最广的专利，长达52页，大多数中文发明专利不超过20页。华为专利申请详细说明了激光雷达的原理和构造。很有可能就是华为这款激光雷达2.0的详细介绍。

在解密华为激光雷达前先了解一下激光雷达信噪比的概念，任何传感器，最重要的参数就是信噪比，非相干激光雷达的信噪比SNR方程可以表示为：
 
 
从上面公式可以看出，要提高信噪比，最简单有效的方法是提高接收信号光功率和量子效率。激光雷达按光学扫描器目前可以分为三大类，一类是旋转型机械激光雷达，包括360度旋转和反射镜往复的Scala，是目前最常见最成熟的激光雷达。第二类是MEMS激光雷达。第三类是Flash激光雷达，Flash激光雷达实际是2D/3D焦平面（FPA）摄像机，也就是手机和平板领域大量使用的ToF相机，两者完全一样，只是有效距离差很多。Flash激光雷达全半导体构成，与目前传统摄像头几乎没有差别，因此前途远大，但近期内落地较难，因为目前VCSEL的效率和指向性，让Flash激光雷达有效距离和分辨率都不及前两类，顺便要说一下，前两类激光雷达输出的是点云，Flash激光雷达输出的是3D图像，当然也可以输出点云。目前高性能Flash激光雷达主要是IBEO和OUSTER。都对Beam做了调整，不是单一Beam而是Multi-Beam。

MEMS是目前最快落地的方案，和机械激光雷达相比，其优势有三，首先MEMS微振镜帮助激光雷达摆脱了笨重的马达、多棱镜等机械运动装置，毫米级尺寸的微振镜大大减少了激光雷达的尺寸，提高了可靠性。

英飞凌收购的Innoluce MEMS激光雷达示意图

其次是成本，MEMS微振镜的引入可以减少激光器和探测器数量，极大地降低成本。传统的机械式激光雷达要实现多少线束，就需要多少组发射模块与接收模块。而采用二维MEMS微振镜，仅需要一束激光光源，通过一面MEMS微振镜来反射激光器的光束，两者采用微秒级的频率协同工作，通过探测器接收后达到对目标物体进行3D扫描的目的。与多组发射/接收芯片组的机械式激光雷达结构相比，MEMS激光雷达对激光器和探测器的数量需求明显减少。从成本角度分析，N线机械式激光雷达需要N组IC芯片组：跨阻放大器（TIA）、低噪声放大器（LNA）、比较器（Comparator）、模数转换器（ADC）等。如果采用进口的激光器（典型的如Excelitas的LD）和探测器（典型的如滨松的PD），1K数量下每线激光雷达的成本大约200美元，国产如常用的长春光机所激光器价格能低一些。MEMS理论上可以做到其1/16的成本。

最后是分辨率，MEMS振镜可以精确控制偏转角度，而不像机械激光雷达那样只能调整马达转速。像Velodyne的Velarray每秒单次回波点达200万个，而Velodyne的128线激光雷达也不过240万个，Velarray几乎相当于106线机械激光雷达。

那么MEMS的缺点是什么？缺点就是信噪比和有效距离及FOV太窄。因为MEMS只用一组发射激光和接收装置，那么信号光功率必定远低于机械激光雷达。同时 MEMS激光雷达接收端的收光孔径非常小，远低于机械激光雷达，而光接收峰值功率与接收器孔径面积成正比。导致功率进一步下降。这就意味着信噪比的降低，同时也意味着有效距离的缩短。扫描系统分辨率由镜面尺寸与最大偏转角度的乘积共同决定，镜面尺寸与偏转角度是矛盾的，镜面尺寸越大，偏转角度就越小。而镜面尺寸越大，分辨率就越高。最后MEMS振镜的成本和尺寸也是正比，目前MEMS振镜最大尺寸是Mirrorcle，可达7.5毫米，售价高达1199美元。速腾投资的希景科技开发的MEMS微振镜镜面直径为5mm，已经进入量产阶段；禾赛科技的PandarGT 3.0中用到的MEMS微振镜则是由自研团队提供。

解决办法主要有两种，一是使用1550纳米发射波长的激光器，用光纤领域的掺铒放大器进一步提升功率，1550 nm波段的激光，其人眼安全阈值远高于905nm激光。因此在安全范围内可以大幅度提高1550 nm光纤激光器的激光功率。典型例子就是沃尔沃和丰田投资的Luminar。缺点是1550纳米激光器价格极其昂贵，且这是激光器产业的范畴，激光雷达厂家的技术远不及激光器产业厂家，想压低成本几乎不可能，还有一个缺点是1550纳米对阳光比较敏感。不过1550纳米附加一个优点就是像毫米波雷达一样全天候。二是使用SPAD或SiPM接收阵列，而不是传统APD阵列，SPAD阵列效率比APD高大约10万倍，典型例子是丰田中央研究院。但SPAD阵列目前还不算特别成熟，价格也略高。

华为要想快速切入激光雷达领域，自然也是选择MEMS激光雷达，不过针对功率过低的缺点，华为做了改进，也就是华为专利所说的，多线程微振镜激光测量模组。

 
华为采用机械激光雷达的做法，采用多个发射和接收组件，而不是传统MEMS激光雷达那样只有一个，因为华为在光电领域产业庞大，规模效应突出，采购激光发射器和接收器的成本远比传统激光雷达要低。
华为激光雷达光路图

图中画出了三个测距模组，分别是100a、100b、100c，每个模组包括三个元件，分别是激光发射器101B，分光镜102a，接收器103a。104a为出射光束，110为反射镜，105a为回波光束，120为MEMS振镜，微振镜二维扫描摆动，实现光束140a（源自104a）的扫描。130为处理电路。100a、100b、100c结构完全一致，分时发射激光束。华为的等效100线，当然也不是100个测距模组，那样增加成本太多了，毕竟MEMS振镜的垂直扫描密度要好控制的多。
 
华为激光雷达立体结构图1
华为激光雷达立体结构2
华为激光雷达立体结构3
 
110反射镜的出现，让华为激光雷达更紧凑，更加方便线路板布线。同时以120MEMS振镜为核心，两边对称放置测距模组。结构更加简洁。160和170为连接线缆，180为透光外壳窗口。
华为这种设计，当然成本和体积肯定比传统MEMS激光雷达大多了，但性能也增加了，特别是有效距离和FOV，通常激光雷达厂家在说明有效距离时不会加上反射率，一般默认为90%，这样数字会好看很多，而华为特别点明反射率10%，反射率10%的情况下，即使短距离激光雷达都可达80米，传统MEMS激光雷达通常只有一半即40米。功率的增加让MEMS振镜尺寸可以缩小，FOV就可以大一点，华为激光雷达的FOV也是业内最大的。振镜越小，价格也越低。华为这种模块式布局，可以快速出产多种用途的激光雷达，适应不同的市场需求。
最有希望的Flash激光雷达，相信华为也有布局，不过Flash激光雷达的关键不在于激光雷达厂家，而是ToF传感器厂家，这些领域都是巨头，索尼、OV、ST、东芝、松下、安森美、英飞凌等。未来可能像摄像头一样，这些巨头提供传感器，激光雷达厂家做成模组，但这个过程可能长达8-10年。这期间三种激光雷达可能长期共存。
 
 
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