CES2016-激光雷达固态篇
一年一度的CES消费电子展都能看到汽车电子界最新最炫酷的技术。今天我们就来说说CES2016上展出的汽车激光雷达技术。详细聊一聊激光雷达在自动驾驶中的地位、何为“固态”激光雷达以及“固态化”是怎么成为未来发展趋势的。
首先，什么是激光雷达。
激光雷达LiDAR的全称为Light Detection and Ranging激光探测和测距。其正好与雷达Radar的定义Radio Detection and Ranging无线电探测和测距相对应。如上图所示，激光雷达的工作原理：对人畜无害的红外光束Light Pluses（多为950nm波段附近的红外光）发射、反射和接收来探测物体。能探测的对象：白天或黑夜下的特定物体（如图上的鹿）与车之间的距离。甚至由于反射度的不同，车道线和路面也是可以区分开来的。哪些物体无法探测：光束无法被遮挡的物体是无法被探测到的（如图上树后的鹿）。众所周知雷达技术已经在许多具有先进驾驶辅助系统ADAS的量产车上装配使用。但是为了进一步提高检测精度和可靠性，可以说在严苛的无人驾驶系统中激光雷达成为一种不可替代的传感器。
下面我们来谈谈什么是“固态”激光雷达。
在CES2016上展出的两款重量级产品分别是来自Quanergy的“固态”Solid State激光雷达 S3（下图一）和由福特汽车发布用于无人驾驶计划的Velodyne HybridSolid State“混合固态”激光雷达VLP-16 PUCK（下图二）。一时间，感觉推出的激光雷达产品如果不是”固态“的都不好意思拿出手。
那么这里“固态”到底是个什么概念呢？难不成还对应液态不成？实际上下图一对应了我们身边最直接的例子，右侧的“固态”硬盘SSD内部没有机械旋转部件，所以体积小稳定性高。对应的左侧“机械”硬盘HDD内部基于机械旋转部件进行数据读写的方案。因此“固态”概念可以称为基于电子部件，无机械旋转部件的解决方案。如下图二所示，左侧最早由谷歌提出的无人驾驶汽车，基于置于车顶的360度机械旋转激光雷达实现。它的性能非常好，但是相应的也具有成本过高（几千美元级别），体积大、外部可见等劣势。右侧对应的“固态”激光雷达产品则由于采用电子方案去除了机械旋转部件，因此具有低成本(几百美元级别）和体积小、可集成至传统车辆外观中的特点。
激光雷达未来发展趋势-固态化，小型化，低成本化
之前提到最早谷歌提出的无人驾驶汽车就是基于置于车顶的机械旋转激光雷达产品实现的。它其实就是来自Velodyne公司的64波束激光雷达。而这款产品当初的价格也是惊人的超过了7万美金。是谷歌采用的原型车丰田普锐斯售价的两倍还要多。虽然它的性能非常好，但是为了实现将来无人驾驶汽车的量产，成本降低是必然之路。如下图一，从左至右分别为Velodyne的64波束（用于谷歌无人驾驶汽车）、32波束（用于福特CES2016无人驾驶概念车）以及混合固态Hybrid Solid State 16波束 VLP-16 PUCK（将用于未来的福特无人驾驶计划）激光雷达产品。如下图二、三所示分别为与CES2016发布的基于福特蒙迪欧的无人驾驶概念车，以及装配于车顶的4个Velodyne 32波束激光雷达。
“混合固态”和全“固态”
虽然福特蒙迪欧无人驾驶概念车上所使用的Velodyne 32波束产品相较64波束产品在体积和成本上都有所改善，但其实际售价仍然接近1万美元。因此进一步的固态化，小型化，低成本化成为一个必然的方向。如下图Velodyne在其最新的16波束产品VLP-16 PUCK上提出了“混合固态”的概念。大家可能会奇怪，什么叫混合固态呀？下图一为VLP-16 PUCK的官方数据信息。从其小巧的外形和双向回转Dual Return及360水平视角Horizontal FOV等参数中不难看出，这款产品外形上不存在可见的旋转部件，但是为了360全视角其内部实际上仍然存在一些机械旋转部件。只是这套机械旋转部件做的非常小巧可以内藏而已。Velodyne为了将这样的产品概念和传统“固态”概念区分开来，因此引入了“混合固态”的称呼。这款16波束的激光雷达官方公布售价为7999美元，可见也不低。通过福特的一些官方宣传资料可以了解到，通过量产后的成本控制这款产品将降到500美元左右。鉴于差价如此之大，所以我们可以保守估计将来量产成本进入1000美元更有可能实现。
实际上奥迪早在去年的CES2015就由技术总监提出了激光雷达小型化的概念。只是当初还未引入“固态”激光雷达概念而已。如下图一，奥迪技术总监正手握来自IBEO的小型化激光雷达产品进行展示，下图二，由于IBEO与传统汽车供应商法雷奥Valeo的合作，最终量产将由法雷完成。下图三为装配了这款小型化激光雷达产品SCALA的奥迪A7 Piloted Driving无人驾驶概念车。实际上从内部结构来看，其小型化的实现方法也是尽量减少内部旋转部件，而外观上无可见的机械旋转部件。因此应该也可以算作“混合固态”激光雷达。类似的还有Quanergy的第一代激光雷达产品MARK VIII也是如此，该产品与2014年下半年应用于奔驰的无人驾驶测试车。
那么此次来自Quanergy的“固态”激光雷达S3又是什么样的呢？让我们来通过Quanergy在CES上的演讲和其相关的专利说明来详细探讨一下它的创新之处吧。简单的说，这是一款全“固态”的激光雷达，或者称光学相控阵激光雷达。其目标量产成本为250美元。首先如下图一所示，其满足了激光雷达小型化的大趋势，整个尺寸只有90mm x60mm x 60mm。如图二的产品工作原理展示中可以看到内部机构不存在任何的机械旋转部件。所有的激光探测水平和垂直视角都是通过电子方式实现的。因此其名副其实的是全“固态”激光雷达产品。其竞争力和创新性的核心就来自展示中提到的三个关键词光学相控阵列Optical Phased Array、光学集成电路Photonic IC、远场辐射方向图Far Field Radiation Pattern。下图三中通过专利展示了更详细的激光模块（标号10）内部细节。其由3块电路板（标号50）组成，没有任何机械旋转部件。其中标号20的发射芯片基于具有光学相控阵列的光学集成电路产生可控的远场辐射方向图的激光束，标号30为集成曲面镜头的接收芯片，标号40为控制及信号处理芯片。说到那么多专有名词是不是晕了。那我们举个例子，这款产品就像使用相控阵技术的雷达一样，通过电子技术可以方便的探测所需视角的目标而不再需要等待雷达旋转到相应方向。它甚至可以通过软件控制对某个感兴趣的方向进行放大Zoom In操作。下图四，所示为采用相控阵雷达技术的军舰。可见相控阵雷达为一个固定的平面，没有旋转部件。其实相应的技术已经在德尔福Delphi的汽车多模式电子扫描雷达中使用。只是应用到激光雷达还是业界第一次而已。
说到激光雷达产品，给人的第一印象就是它不可能很快的在汽车上量产。因此基本上主流的激光雷达公司的主营业务都不是汽车。比如Velodyne作为一家硅谷公司，虽然参加了多次无人驾驶挑战赛，但其大客户仍然是工程机械公司，比如卡特彼勒。而IBEO这家德国公司的主营业务则仍然在工业安防保护上。因此汽车业务上，IBEO和传统汽车零件供应商法雷奥展开了深度合作。那么来自硅谷的Quanergy公司呢？首先要说说创始人Eldada博士。Dr. Eldada是哥伦比亚大学电子工程专业的博士，专攻低成本高精度激光雷达方向。其专业性从他发表的SAE汽车工程师协会论文和文后提到的相关专利可见一斑。但如前所说，即使有好的产品在汽车应用中短期盈利也是很难的。如下图一所示来自Quanergy官方的投资信息可以看到，主要的合作伙伴包括奔驰、现代、雷诺尼桑。而投资方列表中传统汽车零件供应商德尔福Delphi赫然在列。有了强大的投资方，加上自身独创性的技术，这就是Quanergy在汽车行业生存的资本。如下图二所示，德尔福也在其无人驾驶技术路线图上提到了相应的固态激光雷达概念，而其中的合作伙伴就是Quanergy公司。路线图从1959年最早的巡航控制开始，包括抬头显示、碰撞预警、最早基于雷达的自适应巡航系统、多模式电子扫描雷达、最早带行人保护功能的紧急刹车系统、360度驾驶监控系统，再到此次CES 2016发布的车车通讯V2V & 互联互通系统V2X，以及这里提到的固态激光雷达。这些最终组成了德尔福提供的通向完全无人驾驶的解决方案。
综上所述、无论是Velodyne VLP-16 PUCK 和 Valeo SCALA提供的“混合固态”激光雷达还是Quanergy S3基于光学相控阵列的全“固态”激光雷达，都预示着激光雷达的固态化、小型化、低成本化是大势所趋。有了这样低成本高精度的激光雷达，我们又向无人驾驶的量产迈出了一大步。