技術文章 |揭秘華為激光雷達

華為近期展出了針對自動駕駛的一系列傳感器，包括雙目攝像頭、毫米波雷達和激光雷達。這次我們首先揭密華為的激光雷達，下次是雙目攝像頭。

華為的保密工作一向是業內比較好的，因此別指望有太多公開資料，因此突破口還是選在專利上。2020年7月2日，世界知識產權組織國際局公布了華為的一項有關激光雷達的專利，發明名稱為一種激光雷達測量模組和激光雷達。這是華為激光雷達領域覆蓋面*廣的專利，長達52頁，大多數中文發明專利不超過20頁。華為專利申請詳細說明了激光雷達的原理和構造。很有可能就是華為這款激光雷達2.0的詳細介紹。

在揭密華為激光雷達前先了解一下激光雷達信噪比的概念，任何傳感器，重要的參數就是信噪比，非相干激光雷達的信噪比SNR方程可以表示為：

從上面公式可以看出，要提高信噪比，簡單有效的方法是提高接收信號光功率和量子效率。激光雷達按光學掃描器目前可以分為三大類，一類是旋轉型機械激光雷達，包括360度旋轉和反射鏡往復的Scala，是目前常見成熟的激光雷達。第二類是MEMS激光雷達。第三類是Flash激光雷達，Flash激光雷達實際是2D/3D焦平面（FPA）攝像機，也就是手機和平板領域大量使用的ToF相機，兩者完全一樣，只是有效距離差很多。Flash激光雷達全半導體構成，與目前傳統攝像頭幾乎沒有差別，因此前途遠大，但近期內落地較難，因為目前VCSEL的效率和指向性，讓Flash激光雷達有效距離和分辨率都不及前兩類，順便要說一下，前兩類激光雷達輸出的是點云，Flash激光雷達輸出的是3D圖像，當然也可以輸出點云。目前高性能Flash激光雷達主要是IBEO和OUSTER。都對Beam做了調整，不是單一Beam而是Multi-Beam。

 

MEMS是目前較快落地的方案，和機械激光雷達相比，其優勢有三，首先MEMS微振鏡幫助激光雷達擺脫了笨重的馬達、多棱鏡等機械運動裝置，毫米級尺寸的微振鏡減少了激光雷達的尺寸，提高了可靠性。

英飛凌收購的Innoluce MEMS激光雷達示意圖

其次是成本，MEMS微振鏡的引入可以減少激光器和探測器數量，極大地降低成本。傳統的機械式激光雷達要實現多少線束，就需要多少組發射模塊與接收模塊。而采用二維MEMS微振鏡，僅需要一束激光光源，通過一面MEMS微振鏡來反射激光器的光束，兩者采用微秒級的頻率協同工作，通過探測器接收后達到對目標物體進行3D掃描的目的。與多組發射/接收芯片組的機械式激光雷達結構相比，MEMS激光雷達對激光器和探測器的數量需求明顯減少。從成本角度分析，N線機械式激光雷達需要N組IC芯片組：跨阻放大器（TIA）、低噪聲放大器（LNA）、比較器（Comparator）、模數轉換器（ADC）等。如果采用進口的激光器（典型的如Excelitas的LD）和探測器（典型的如濱松的PD），1K數量下每線激光雷達的成本大約200美元，國產如常用的長春光機所激光器價格能低一些。MEMS理論上可以做到其1/16的成本。

 

下面就是分辨率，MEMS振鏡可以精確控制偏轉角度，而不像機械激光雷達那樣只能調整馬達轉速。像Velodyne的Velarray每秒單次回波點達200萬個，而Velodyne的128線激光雷達也不過240萬個，Velarray幾乎相當于106線機械激光雷達。

 

那么MEMS的缺點是什么？缺點就是信噪比和有效距離及FOV太窄。因為MEMS只用一組發射激光和接收裝置，那么信號光功率必定遠低于機械激光雷達。同時 MEMS激光雷達接收端的收光孔徑非常小，遠低于機械激光雷達，而光接收峰值功率與孔徑面積成正比。導致功率進一步下降。這就意味著信噪比的降低，同時也意味著有效距離的縮短。掃描系統分辨率由鏡面尺寸與偏轉角度的乘積共同決定，鏡面尺寸與偏轉角度是矛盾的，鏡面尺寸越大，偏轉角度就越小。而鏡面尺寸越大，分辨率就越高。MEMS振鏡的成本和尺寸也是正比，目前MEMS振鏡尺寸是Mirrorcle，可達7.5毫米，售價高達1199美元。速騰投資的希景科技開發的MEMS微振鏡鏡面直徑為5mm，已經進入量產階段；禾賽科技的PandarGT 3.0中用到的MEMS微振鏡則是由自研團隊提供。

 

解決辦法主要有兩種，一是使用1550納米發射波長的激光器，用光纖領域的摻鉺放大器進一步提升功率，1550 nm波段的激光，其人眼安全閾值遠高于905nm激光。因此在安全范圍內可以大幅度提高1550 nm光纖激光器的激光功率。典型例子就是沃爾沃和豐田投資的Luminar。缺點是1550納米激光器價格極其昂貴，且這是激光器產業的范疇，激光雷達廠家的技術遠不及激光器產業廠家，想壓低成本幾乎不可能，還有一個缺點是1550納米對陽光比較敏感。不過1550納米附加一個優點就是像毫米波雷達一樣全天候。二是使用SPAD或SiPM接收陣列，而不是傳統APD陣列，SPAD陣列效率比APD高大約10萬倍，典型例子是豐田中央研究院。但SPAD陣列目前還不算特別成熟，價格也略高。

 

華為要想快速切入激光雷達領域，自然也是選擇MEMS激光雷達，不過針對功率過低的缺點，華為做了改進，也就是華為專利所說的，多線程微振鏡激光測量模組。

華為采用機械激光雷達的做法，采用多個發射和接收組件，而不是傳統MEMS激光雷達那樣只有一個，因為華為在光電領域產業龐大，規模效應突出，采購激光發射器的成本遠比傳統激光雷達要低。

華為激光雷達光路圖

圖中畫出了三個測距模組，分別是100a、100b、100c，每個模組包括三個元件，分別是激光發射器101B，分光鏡102a，103a。104a為出射光束，110為反射鏡，105a為回波光束，120為MEMS振鏡，微振鏡二維掃描擺動，實現光束140a（源自104a）的掃描。130為處理電路。100a、100b、100c結構完全一致，分時發射激光束。華為的等效100線，當然也不是100個測距模組，那樣增加成本太多了，畢竟MEMS振鏡的垂直掃描密度要好控制的多。

華為激光雷達立體結構圖1

華為激光雷達立體結構2

華為激光雷達立體結構3

110反射鏡的出現，讓華為激光雷達更緊湊，更加方便線路板布線。同時以120MEMS振鏡為核心，兩邊對稱放置測距模組。結構更加簡潔。160和170為連接線纜，180為透光外殼窗口。

 

華為這種設計，當然成本和體積肯定比傳統MEMS激光雷達大多了，但性能也增加了，特別是有效距離和FOV，通常激光雷達廠家在說明有效距離時不會加上反射率，一般默認為90%，這樣數字會好看很多，而華為特別點明反射率10%，反射率10%的情況下，即使短距離激光雷達都可達80米，傳統MEMS激光雷達通常只有一半即40米。功率的增加讓MEMS振鏡尺寸可以縮小，FOV就可以大一點，華為激光雷達的FOV也是業內**的。振鏡越小，價格也越低。華為這種模塊式布局，可以快速出產多種用途的激光雷達，適應不同的市場需求。

 

較有希望的Flash激光雷達，相信華為也有布局，不過Flash激光雷達的關鍵不在于激光雷達廠家，而是ToF傳感器廠家，這些領域都是巨頭，索尼、OV、ST、東芝、松下、安森美、英飛凌等。未來可能像攝像頭一樣，這些巨頭提供傳感器，激光雷達廠家做成模組，但這個過程可能長達8-10年。這期間三種激光雷達可能長期共存。