雷射雷達性能、價格堪比芯片 自動駕駛汽車不是夢

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有數十家創業公司在開發雷射雷達。雷射雷達是一種雷射傳感器，許多專家認為它對於完全自動駕駛汽車是至關重要的。在我看來，最有趣的雷射雷達創業公司之一是Ouster。5月份我曾撰文，解釋了它是如何逆固定“固態”雷射雷達業界趨勢，選擇旋轉式雷射雷達設計的。旋轉式雷射雷達設計的先驅是Velodyne。

從外觀看，Ouster的雷射雷達與Velodyne的產品非常相似，我推測它們內部也相似。但在最近接受Ars Technica採訪時，Ouster首席執行官、聯合創始人安格斯·珀卡拉（Angus Pacala）向我表示，他們的雷射雷達內部與Velodyne有很大不同。

專利申請材料顯示，Velodyne集成有64個雷射器的雷射雷達有一堆電路板，一個電路板與一個雷射器相連。相比之下，打開Ouster集成有64個雷射器的雷射雷達機箱，我們會發現，所有64個雷射束都是從一個不比一粒米大多少的集成電路上發射出來的。

Ouster最初致力於傳統旋轉式設計的雷射雷達的決策，可能被證明只是一個假動作。Ouster從Velodyne風格的旋轉式雷射雷達著手，部分原因可能是潛在的客戶熟悉這種設計，部分原因是旋轉設計適用於相對較少的雷射器——Ouster最初設計中的16或64個雷射器。但Ouster的長期規劃是在集成電路中融合大量雷射器——數千甚至數以百萬計的雷射器。這可能會催生全新類型的固態雷射雷達，比目前市場上銷售的固態雷射雷達有更大優勢。

Ouster向Ars Technica解釋了其雷射雷達的底層技術。根據我的了解，Ouster的雷射雷達不同於市場上任何其他一家廠商。它採用的半導體芯片技術，有可能像15年前的數位相機一樣，隨著時間推移而不斷改進。

珀卡拉說，“人們將會對我們技術的改進速度感到驚奇。”

這非常重要，因為更便宜、更好的雷射雷達是影響自動駕駛汽車大規模普及的關鍵障礙。目前，自動駕駛汽車使用的雷射雷達價格鋼彈數千美元，甚至數萬美元。Ouster將為這種狀況的改變奠定基礎。

固態雷射雷達的挑戰

在Velodyne 創始人大衛·哈爾（David Hall）在2000年代中期取得突破前，雷射雷達傳感器是二維的：它們對外界的一個水準面進行掃描。他意識到，他可以把64個這樣的水準傳感器相互堆疊在一起，極大地改進雷射雷達設計，生成一個垂直“分辨率”為64點的三維點群。

雖然這個概念很簡單，但實際上製造Velodyne式雷射雷達非常困難。每束雷射都需要與相應的探測器精確對準，整個系統需要在旋轉時保持良好對準——即使安裝雷射雷達的汽車在坑坑窪窪的路線上顛簸時。使所有這一切能正常工作的複雜性，有助於解釋高端Velodyne雷射雷達的價格過去曾鋼彈約75000美元的原因。

生產價格更低、更耐用雷射雷達的一個顯而易見的策略是，嘗試把大多數這些元器件集成到一個集成電路中，畢竟，就是靠著這一策略，電腦由房間大小的巨無霸，縮微到了我們的口袋中。過去5年，有大量公司嘗試開發“固態”雷射雷達。所有這些雷射雷達都去除了旋轉部分，而採用固定式設計（始終指向一個方向）。

迄今為止，開發固態雷射雷達的大多數公司都使用下述三種方法之一：

在MEMS方法中，單個雷射器被一個微型鏡子“操縱”。鏡子尺寸足夠小（因此有足夠小的角慣性），在一秒鐘時間內能完成數次二維掃描。

在泛光面陣式雷射雷達中，一個廣角雷射器一次照亮雷射雷達的掃描區域，然後一個傳感器陣列探測不同方向的反射光。

第三種方法使用光學相控陣，這是一種實現全電子光束控制的技術。

所有這三種方法的共同之處，是它們利用一個雷射器取代了Velodyne的64個雷射器，一個雷射器可以照亮整個掃描區域——一次性照亮或以某種掃描動作進行掃描。傳統雷射器成本高昂、笨重，因此把雷射器數量由64減少到1個，似乎是一個降低成本的可行途徑。但在下述的討論中，讀者可以發現這些技術存在重大缺陷。

集成在芯片中的雷射器陣列

要是把大量雷射器集成到一個芯片中會怎麽樣呢？這不但會降低雷射器的部門成本，它還能消除產品組裝過程中繁瑣的雷射器校準工作，因為雷射器是預先校準的。

問題是，被稱作邊緣發射二極管雷射器的最流行的半導體雷射器技術，不適合把大量雷射器整合在一起。邊緣發射器在晶圓平面內發射雷射，這意味著晶圓需要被剖開，露出雷射發射器的發射平面。

珀卡拉說，“生產邊緣發射二極管雷射器陣列的成本高得離譜。”因此，這些雷射器需要封裝為單個單元。

Ouster使用一種被稱作VCSEL（垂直腔面發射雷射器）的不同技術。VCSEL不是一種新技術，它很久以來就一直被應用在光纖網絡、電腦滑鼠，最近更是被應用在智能手機相機的自動對焦功能中。但Ouster是利用VCSEL生產雷射雷達的少數公司之一，也是唯一一家推出相關產品和公布產品規格、價格的公司。

顧名思義，VCSEL發射方向垂直於晶圓表面的雷射。這意味著無需在任何特定位置切割晶圓，以使雷射器發揮作用。反過來，這大大降低了生產密集的VCSEL陣列難度。

珀卡拉向Ars Technica表示，“我們雷射器中的VCSEL內核大小真的與一粒米相當，我們的傳感器能看數百米遠，要全靠它發出的雷射。”

珀卡拉說，集成有64個雷射器的芯片還只是個開始。

他說，“這就像數位相機的分辨率越來越高一樣。相機的尺寸和價格沒有變化，但設計師能在相同的太空‘塞入’更多像素。我們的產品就是這樣，我們將能在產品設計沒有任何改變的情況下，使分辨率增長1倍、3倍和9倍。”

最初，這可能意味著增加Ouster雷射雷達的垂直分辨率。Velodyne的頂級型號集成有128個雷射器，因此垂直分辨率為128個點。如果一切按計劃進行，預計Ouster將開始勝過Velodyne，開發垂直分辨率更高（可能是256、512和1024個掃描行）的旋轉式雷射雷達，而不會使價格大幅上漲。

芯片中能集成數以百萬計的雷射器嗎？

沒有內在原因使得VCSEL陣列只能以一維方式分布。隨著一個芯片上VCSEL數量的增加，開發二維的陣列應當是可行的。這會開啟新的設計可能性。

正如我們已經知道的那樣，領先的固態雷射雷達設計使用一個微型“MEMS”鏡子，在一個掃描區域內來回掃描單個雷射束。但是如果一個芯片集成有數百萬個獨立雷射器，就可以完全省去光束控制技術，只需對掃描區域的每個點使用不同的雷射器即可。

珀卡拉承認，這一技術距離商業化還有數年之遙。但他認為，該產業通過簡單地擴展當前的技術就可以實現商業化。

科羅拉多州立大學光電子學專家凱文·李爾（Kevin Lear）在很大程度上認可這一觀點。

李爾向我們表示，“人們在這些微型芯片上集成越來越多的雷射器。這種設計的挑戰之一，就是管理被越來越緊密地整合在一起的越來越多的雷射器散發出的廢熱量。”

但李爾認為這些問題是可以解決的，“我認為，如果具備英特爾等公司製造集成有數十億個晶體管的芯片的能力，生產出集成有數百萬個雷射器的芯片不是什麽難事兒。”

這意味著，如果VCSEL陣列成為生產雷射雷達的一種流行方式，它們很可能會享受到我們在處理器，以及最近的數位相機光電探測器發展中看到的那樣的良性循環。隨著銷量的增加，公司將投入更多資金開發更好的產品。這將允許廠商開發更大的雷射器陣列，這將提高基於VCSEL的雷射雷達的分辨率，從而進一步增加銷售。

產品已經在開發中？

這一過程可能已經在啟動。我與一家被稱作TriLumina的主要VCSEL廠商高管盧克·史密斯威克（Luke Smithwick）進行了交流。TriLumina不生產雷射雷達，但史密斯威克表示，該公司向汽車產業“一線供應商”開發的大量雷射雷達供應雷射器。大多數供應商尚未正式公布產品，但史密斯威克稱這種情況很快就會改變。

史密斯威克表示，TriLumina已經有至少兩家客戶在開發集成有多達5120個雷射器、採用VCSEL陣列的雷射雷達傳感器。

開發基於VCSEL的雷射雷達的其他公司包括Lasertel、AMS和Xenomatix，但它們均未披露自己產品的細節。

珀卡拉認為，與目前採用MEMS或泛光面陣式雷射雷達技術的固態雷射雷達相比，基於大型VCSEL陣列的雷射雷達具有好得多的性能。

珀卡拉說，“MEMS有諸多不足，其中之一是小光圈。我們不像MEMS雷射雷達那樣受限於光圈。”

泛光面陣式雷射雷達也有一大不足：在探測器測量的位置之間，它浪費大量的光照亮點。珀卡拉說，“通過發射離散的光束，我們在雷射利用方面的效率要高得多。”

單光子探測

每個雷射雷達系統需要對外發射雷射，也需要探測反射的雷射。出於這一目的，Ouster在雷射探測方面選擇基於半導體的設計。

我們已經提到，Ouster的雷射雷達配有一個集成有64個雷射器的芯片，附近是集成有64個微型光電探測器的第二個芯片，每個光電探測器專門探測由64個雷射器中的一個發射、被反射回來的雷射。

這些探測器被稱作單光子雪崩二極管。顧名思義，它們足夠敏感，能探測到一個光子。芯片採用了CMOS芯片技術，傳統電腦芯片也採用了這一技術。

珀卡拉表示，“標準的光感應器會生成一個模擬信號，隨著接收的光強弱程度而變化”，相比之下，單光子雪崩二極管“只是發出一些小尖峰——單光子雪崩二極管上的光子越多，意味著越多的尖峰，一個接一個的尖峰”。

將這種斷斷續續的信號，轉化成有關各種物體距離的有用數據，需要大量的運算能力。珀卡拉向我表示，“實際上該系統每秒可以計算並存儲一兆個光子，芯片周圍有大量數字信號處理器能夠讀出並處理所有數據。”

珀卡拉表示，他的團隊已經搞清楚如何使其單光子雪崩二極管僅對極窄的頻率範圍敏感，從而能更容易地區分雷射器的反射光子和背景噪聲。

這種方法也有助於解釋Ouster技術的另一個創新領域。早在9月份，我們曾撰文稱，Ouster宣布它的雷射雷達可以兼作相機，生成傳感器周圍環境的影像，每個像素都能精確地測量距離。傳感器芯片的先進信號處理功能使這一切成為可能。

Ouster選擇的波長具有獨特優勢

Ouster雷射雷達的另一個與眾不同之處：雷射脈衝的波長。我們討論的大多數其他雷射雷達的波長都是905納米或1550納米。設計師選擇905納米的原因是，因為它的頻率與傳統的半導體材料相當，以及在該頻率範圍內往往沒有大量的背景異塵餘生。

另一方面，1550納米波長很受歡迎，因為它遠離可見光譜，不能穿過人眼中的液體，這大大降低了眼睛安全問題，並允許雷射器以更高的功率運行。

迄今為止，我們從未聽說有雷射雷達的波長低於850納米。

珀卡拉說，“很多人都對我們選擇850納米波長感到驚訝，因為它在環境噪聲方面處於太陽光譜的頂端。”雖然這似乎是一個劣勢，但Ouster認為這實際上是一個優勢。

在其他頻率上沒有太多太陽背景異塵餘生的一個重要原因是，光線被大氣中的水蒸氣吸收。這意味著系統在低濕度環境下性能良好，但在高濕度環境中性能較差。珀卡拉告訴我們，相比之下，儘管存在太陽背景噪音，但能夠在850納米波長上運行的雷射雷達能在各種濕度水準下提供穩定的性能。

珀卡拉表示，敏感的探測器，結合窄頻率範圍和複雜的後處理硬體，可以提供這種強大的全天候性能。在開發安全關鍵技術時，更重要的是使傳感器能在具有挑戰性的環境，而不是只能在氣象條件好的情況下很好地運行。

Ouster可以使雷射雷達成本大幅降低

Ouster雷射雷達核心的兩項關鍵技術：VCSEL和單光子雪崩二極管，都可以利用消費級芯片製造技術做成大型陣列。有一個龐大的生態系統，在致力於設計這種芯片並進行大規模生產。這意味著Ouster不必從零開始，它可以通過遵循製造處理器、記憶體芯片、相機成像傳感器等元器件的公司所採用的策略來快速改進其芯片。

珀卡拉表示，使用這些技術製造高性能雷射雷達並非易事。

他向Ars Technica表示，“單光子雪崩二極管不是一種非常有效的光電探測器，VCSEL也不是一個亮度非常高的雷射器。如果製作一個物理模型並插入一個單光子雪崩二極管陣列和一個VCSEL陣列，模型性能就會非常差。”

珀卡拉說，要想搞清楚如何通過這些技術獲得良好的性能，需要做大量工作。但優點是他們仍有很大的上升太空。

珀卡拉表示，“這些技術將得到大幅改善，主要原因是它們是更廣泛的消費電子生態系統的一部分。 “如果我們現在能夠首先開發出產品，我們將成為領頭羊，始終利用這種快速的技術進步。”

那麽量產後Ouster雷射雷達價格會有多低？據珀卡拉稱，Ouster雷射雷達中探測器芯片生產成本為“一位數美元”。這是否意味著Ouster可能會在未來數年後以三位，甚至兩位數的價格銷售其雷射雷達？

在我們長達一小時的採訪中，珀卡拉對我所有的技術性問題進行了令人信服而詳盡的解答。但當我問他Ouster的雷射雷達價格會有多低時，他沉默了。

他說，“我只能說，我們一直致力於推出市場上價格最低的產品。”

當然，與任何科技公司一樣，Ouster需要收回開發芯片的巨額研發成本。隨著分辨率的提升，這些芯片將變得越來越複雜。 但從長遠來看，如果雷射雷達性能和價格的發展，遵循過去二十年數位相機的軌跡，我不會感到奇怪。

原文來源：ArsTechnica