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本文探討了當(dāng)今激光雷達(dá)系統(tǒng)面臨的五大挑戰(zhàn)以及如何克服這些挑戰(zhàn)。它還證明了，一旦消除了這些障礙，激光雷達(dá)將具備更廣泛的應(yīng)用空間。

在傳統(tǒng)汽車、自動(dòng)駕駛汽車、無(wú)人機(jī)等許多應(yīng)用中，都可以利用激光雷達(dá)技術(shù)，用來(lái)提高汽車性能和安全性，服務(wù)更多工業(yè)流程，并在消費(fèi)型產(chǎn)品中增加新的功能和特征。但是，目前存在五大挑戰(zhàn)阻礙了傳統(tǒng)激光雷達(dá)架構(gòu)做為一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用和推廣的可能性。

當(dāng)前在自主駕駛汽車試驗(yàn)中使用的激光雷達(dá)對(duì)于訓(xùn)練AI系統(tǒng)非常有用，但是由于不符合尺寸、可靠性和成本要求，它無(wú)法在批量生產(chǎn)的車輛中實(shí)際部署。正在開發(fā)的新型LiDAR系統(tǒng)必須可以滿足廣泛生產(chǎn)部署的所有要求。下面，讓我們分析一下它需要克服的挑戰(zhàn)。

當(dāng)今LiDAR系統(tǒng)面臨的五大挑戰(zhàn)

激光雷達(dá)技術(shù)目前面臨五項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，在解決這些挑戰(zhàn)之前，作為可在量產(chǎn)型車輛中廣泛部署的技術(shù)的LiDAR只能釋放一小部分潛力。

1 尺寸

許多現(xiàn)有的LiDAR系統(tǒng)都安裝在汽車頂部，是個(gè)大塊頭的旋轉(zhuǎn)單元，這種方案無(wú)法滿足汽車OEM廠商進(jìn)行大規(guī)模市場(chǎng)部署的尺寸、成本或汽車認(rèn)證要求。做為一種改進(jìn)方案，目前有一些較小的旋轉(zhuǎn)式LiDAR裝置，可以分散布置在汽車的各個(gè)位置上，這種方案可以在一定程度上拓寬汽車應(yīng)用，但這些裝置仍然太大，或者在性能（分辨率和范圍）和尺寸之間進(jìn)行了權(quán)衡和妥協(xié)。繼續(xù)將復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)裝置尺寸進(jìn)一步壓縮的空間越來(lái)越小，使用無(wú)法進(jìn)一步降低成本或滿足汽車等級(jí)要求的技術(shù)和元件帶來(lái)的回報(bào)越來(lái)越小。因此，需要在技術(shù)上進(jìn)行根本性的改變。

2 成本

客戶們經(jīng)常對(duì)基于LiDAR系統(tǒng)的應(yīng)用演示感到激動(dòng)萬(wàn)分，但他們隨后便會(huì)不幸地發(fā)現(xiàn)，演示模型的出色表現(xiàn)往往依賴于昂貴的、規(guī)格超標(biāo)的組件，這些組件無(wú)法滿足汽車等級(jí)認(rèn)證。推高成本的主要因素來(lái)自激光器與光學(xué)器件的對(duì)準(zhǔn)、實(shí)現(xiàn)足夠的輸出功率以滿足范圍要求，以及需要實(shí)施一種方法使激光束能夠覆蓋所需的視場(chǎng)。

今天在試驗(yàn)中部署的激光雷達(dá)中使用的許多技術(shù)無(wú)法降低成本，限制了它在大眾市場(chǎng)的采用。盡管有人聲稱，增加激光雷達(dá)的產(chǎn)量將降低它的成本，但是，如果沒有在設(shè)計(jì)上的革命性變化，再高的產(chǎn)量也不足以把它的成本拉低到可以大規(guī)模應(yīng)用的地步。

3 可靠性

今天，大多數(shù)LiDAR系統(tǒng)都是基于機(jī)械或微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的，具有移動(dòng)部件的所有缺點(diǎn)，比如有限的可靠性。這些產(chǎn)品需要進(jìn)行仔細(xì)校準(zhǔn)，制造成本高昂。由于大多數(shù)組成元件不具備在汽車級(jí)溫度范圍（－40°C至＋ 125°C）內(nèi)運(yùn)行的資格，所以，它們?cè)跓釕?yīng)力下表現(xiàn)出較高的故障率。為了解決溫度等級(jí)問題，必須用固態(tài)的替代品替換運(yùn)動(dòng)部件，使得每個(gè)部件都能滿足汽車級(jí)溫度范圍要求。 然而，即使是像問世多年的固態(tài)激光技術(shù)要滿足汽車溫度范圍也需要好長(zhǎng)一段路要走 － 目前很少有激光器能夠符合汽車溫度等級(jí)要求。

4 范圍

根據(jù)已有的演示，當(dāng)代的LiDAR系統(tǒng)可以進(jìn)行相對(duì)長(zhǎng)距離的操作，但是，為了達(dá)到這種性能水平，必須使用1，550納米波長(zhǎng)的掃描激光器。在高功率的1550納米激光器和傳感器的加持下，它確實(shí)達(dá)到了較長(zhǎng)的距離，但其價(jià)格非常高?，F(xiàn)在，具有可比范圍和有吸引力的成本的廉價(jià)閃光激光技術(shù)已經(jīng)問世。

5 人眼安全

通常，1，550納米波長(zhǎng)的光一直被認(rèn)為是保證人眼安全的最佳選擇，它確實(shí)是一種比其他激光類型更安全的解決方案，其它激光可以穿透視網(wǎng)膜。然而，高成本的1，500納米DPSS、二極管泵浦fiver激光器或帶有EDFA激光器的DFB的主導(dǎo)地位受到新設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得波長(zhǎng)更短，同時(shí)也更不安全。

解決尺寸上的挑戰(zhàn)
在尺寸上有什么好消息呢？現(xiàn)在，在汽車頂上安裝旋轉(zhuǎn)萬(wàn)向節(jié)和笨重的旋轉(zhuǎn)器部署LiDAR的日子已經(jīng)到頭了。目前，通過(guò)使用合適的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）照明器可以減少LiDAR系統(tǒng)的占位面積。VCSEL激光器可以放在一個(gè)僅有幾個(gè)毫米大小的微芯片上。

這種技術(shù)可以大幅度降低LiDAR系統(tǒng)的整體占位面積，同時(shí)還能提供人眼安全的高功率，以照亮整個(gè)視野。LiDAR裝置的尺寸可以降低至大概卡片大小或者更小。在汽車應(yīng)用中，這種尺寸級(jí)別使得可以將LiDAR放置到汽車內(nèi)外的多個(gè)位置，以有效地測(cè)量從幾米到多達(dá)200多米的距離。這些變化可以幫助為自主駕駛汽車提供額外的環(huán)境監(jiān)控和防撞功能。

突破成本壁壘

降低尺寸的解決方案背后的技術(shù)和思維也可以大大推動(dòng)成本節(jié)約。半導(dǎo)體垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），特別是波長(zhǎng)為940納米的半導(dǎo)體VCSEL利用了現(xiàn)有針對(duì)手機(jī)等大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行了成本優(yōu)化的半導(dǎo)體工藝，使用硅芯片工藝代替了更昂貴的磷化銦（InP）和1550納米波長(zhǎng)激光器和傳感器中發(fā)現(xiàn)的銦鎵砷（InGaAs）器件。

使用低成本的半導(dǎo)體制造工藝，再結(jié)合其它材料節(jié)省措施，可以將LiDAR裝置的成本降到200美元甚至更低，要知道，現(xiàn)在許多基于機(jī)械和MEMS的1550納米波長(zhǎng)方案的成本都在一千美金以上。在200美元或以下的成本線上，在自主駕駛汽車上便可以部署多個(gè)LiDAR裝置，從而以一種具備成本效益的方式獲得先進(jìn)的傳感能力和更高的安全性。

提高可靠性

今天，大多數(shù)LiDAR技術(shù)都是基于微機(jī)電系統(tǒng)或旋轉(zhuǎn)鏡，這些技術(shù)中含有許多移動(dòng)部件，不僅生產(chǎn)成本高，而且故障率較高。值得一提的是，許多LiDAR系統(tǒng)必須在不太理想的氣候條件和高振動(dòng)性的環(huán)境下運(yùn)行。合適的940納米波長(zhǎng)VCSEL模塊化激光器技術(shù)設(shè)計(jì)能夠滿足汽車AEC－Q100 1級(jí)溫度范圍。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在電信領(lǐng)域部署了二十多年，具有很高的可靠性。此外，VCSEL已經(jīng)在LiDAR要求的功率水平和AEC－Q100 1級(jí)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了數(shù)百萬(wàn)小時(shí)的測(cè)試，性能沒有任何降低。

增加范圍

通常，出于人眼安全限制，905納米波長(zhǎng)的邊緣發(fā)射器激光器（EEL）限制在大約100米范圍內(nèi)，而1550納米波長(zhǎng)激光器可以用在遠(yuǎn)程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)人眼安全照明。不過(guò)，在可以預(yù)見的未來(lái)，激光器和1550納米傳感器的成本依然令人望而卻步。LiDAR行業(yè)曾經(jīng)固步自封地認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)人眼安全的遠(yuǎn)程應(yīng)用的唯一方法便是使用1550納米波長(zhǎng)的激光器和傳感器。

現(xiàn)在，940納米波長(zhǎng)的激光器提供了另外一種解決方案－使用940納米的太陽(yáng)光光譜（太陽(yáng)光干擾最少）和規(guī)模量產(chǎn)的低成本VCSEL技術(shù)。940納米波長(zhǎng)附近的環(huán)境光噪聲很小，使得可以在較低的激光光學(xué)功率下實(shí)現(xiàn)更高的范圍。您也許已經(jīng)在智能手機(jī)上使用了940納米波長(zhǎng)VCSEL，以在極低的功率和短距離內(nèi)進(jìn)行3D感應(yīng)。現(xiàn)在，VCSEL技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程距離，并支持人眼安全。您可以閱讀相關(guān)材料以了解這是怎么實(shí)現(xiàn)的。

在人眼安全上的創(chuàng)新

出于人眼安全的限制，905納米波長(zhǎng)的邊緣發(fā)射器激光器（EEL）的應(yīng)用通常被限制在100米范圍內(nèi)。紅外激光附近的高功率連續(xù)光波對(duì)人眼來(lái)說(shuō)并不安全，因?yàn)樗鼈兛梢源┩敢暰W(wǎng)膜進(jìn)而損害視力，但是，在較低的占空比下，持續(xù)時(shí)間較低（脈沖時(shí)間約十億分之一秒）的高功率940納米波長(zhǎng)激光光源可以被人眼承受（“人眼安全”）。今天的940納米波長(zhǎng)VCSEL陣列和高亮度的點(diǎn)式光源以及邊緣發(fā)射激光器（EEL）完全不同。

940nm VCSEL陣列包含多個(gè)獨(dú)立的VCSEL激光器，功率相對(duì)較低，使用短脈沖，因此是安全的。該技術(shù)以非常低的重復(fù)率使用極窄脈沖（脈沖時(shí)間僅為十億分之一秒）。當(dāng)這些獨(dú)立的VCSEL激光器組合在一個(gè)陣列中時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)具有高功率輸出的分布式光源以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的距離，但是它的平均功率非常低，具有分布式光源，因此不會(huì)損害視網(wǎng)膜。比如，TriLumina開發(fā)了一種人眼安全的倒裝芯片形式的940納米波長(zhǎng)脈沖VCSEL陣列，具有600瓦峰值光功率，可實(shí)現(xiàn)超過(guò)250米的范圍，它具有較低的占空比，平均光功率僅為半瓦。

廣泛部署LiDAR指日可待

雖然今天MEMS和機(jī)械形式的LiDAR的挑戰(zhàn)確實(shí)阻礙了它的更廣泛部署，但是這些挑戰(zhàn)可以通過(guò)新的VCSEL技術(shù)克服，進(jìn)入2019年，它們也正在完成汽車認(rèn)證。想象一下汽車內(nèi)外都具有感應(yīng)能力的自動(dòng)駕駛汽車，它可以大大降低當(dāng)今每年37000多名交通事故死亡人數(shù)這個(gè)數(shù)字，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。

這些目標(biāo)只能通過(guò)降低LiDAR系統(tǒng)的成本和尺寸、滿足汽車可靠性要求、提升感應(yīng)距離并確保人眼安全來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用合適的激光技術(shù)，LiDAR可以百尺竿頭更進(jìn)一步，實(shí)現(xiàn)更廣泛的部署。