深度解析:激光器與雷達如何打好配合?

近年來，激光雷達技術得到了廣泛的關注和提及，但在實際應用中，其效果似乎尚未完全達到預期。雖然有些汽車已經配備了激光雷達，但其潛在的效用尚未得到充分發揮。在汽車領域，如何充分利用激光雷達為自動駕駛或輔助駕駛帶來優勢仍是一個挑戰，產業還在摸著石頭過河。

作為LiDAR 技術的領導者，艾邁斯歐司朗從實際應用出發，深入洞察激光雷達的場景需求?；诖?，艾邁斯歐司朗提供了一系列針對性的激光器解決方案建議，旨在為客戶提供最佳的激光雷達解決方案。

圖1 激光雷達應用場景（圖片來源：艾邁斯歐司朗）

1 激光雷達最原始的應用場景：測距

首先，明確激光雷達應用場景是最核心和最基本的一環。只有確定了適當的應用場景，我們才能確保激光雷達的勁兒該往何處使。那么，在自動駕駛技術的快速發展過程中，激光雷達的應用場景究竟應如何定義？“過去幾年，眾多激光雷達廠家都在拼性能、拼價格和拼各種技術參數，但實際應用場景定義仍然模糊不清。對此，我們嘗試回歸到激光雷達最基本的應用：測距，以此來對激光雷達進行進一步探討?！卑~斯歐司朗中國區激光雷達應用高級市場經理梁澤春指出。

在實際駕駛中，當遇到緊急情況需要進行緊急剎車時，激光雷達來測距主要考慮兩個核心因素：1、反應時間：即駕駛員發現障礙物到真正開始剎車的時間間隔。這段時間內，車輛將繼續前進，形成一個所謂的“反應距離”。2、剎車距離：即從駕駛員開始剎車到車輛完全停穩所需的距離。例如在車速為50km/h 時，可能需要40m 的剎車距離；而當車速達到130km/h 時，這一距離可能擴展至200m，如圖1 的表格中所示。因此，根據這兩大因素，激光雷達測距可區分長距離、遠距離和中距離三大主要應用場景。

此外，分辨率也是決定雷達性能的關鍵因素之一，它決定了激光雷達能夠檢測到的物體的大小和清晰度。我們假設了三種基本場景：人的身高（約1.5m）、路標（約幾十厘米高）以及較小的障礙物，如掉落的輪胎或礦泉水瓶。根據這些對象的高度，以及激光雷達的工作距離，就可以確定所需的角度分辨率。

圖2 激光雷達在汽車應用中的場景（圖片來源：艾邁斯歐司朗）

除了測距和分辨率，幀頻也是一個考慮因素。由于幀與幀之間存在時間差，必須考慮這一時間差帶來的測量偏差。

所以，一個好的激光雷達方案需要綜合考慮測距、角度分辨率以及幀頻等多種因素。

按照測距的方式來劃分的話，又可以定義如下場景：交通擁堵輔助/ 自動駕駛，城市交通/ 自動駕駛、或高速輔助/ 自動駕駛、停車輔助、L4 以上的自動駕駛。這幾種場景基本上覆蓋了70％至80％的常見應用，為激光雷達的進一步應用指明了方向。

各種場景都有其特定的需求，這導致我們需要采納不同的技術策略。梁澤春提到，圖3 展示了艾邁斯歐司朗針對城市交通輔助和高級自動駕駛等激光雷達長距離應用提出的基準參考標準。

圖3 激光雷達長距離使用案例（圖片來源：艾邁斯歐司朗）

對于短距離應用，停車場景是一個明確且常見的參考點（見圖4）。從中，我們可以看到其垂直視場角度與長距離應用截然不同。長距離的垂直角度為25°，短距離需要達到90°。而在水平方向，要實現充分的短距離覆蓋，角度需至少為140°或150°。然而在短距離應用中城市駕駛的場景較為復雜，涉及多種速度和環境。目前，城市駕駛的NOA 標準仍在討論中，大致上有兩個建議：1、制定全新的規格，需要考慮到測距、角度等多方面因素，要求極高；2、結合短、長距離雷達，如采用一顆主雷達＋兩顆輔雷達，或者其它如2 ＋ 2、2 ＋ 3、2 ＋ 4 的雷達組合方案。

圖4 激光雷達短距離使用案例（圖片來源：艾邁斯歐司朗）

2 雷達激光器技術發展分析

確定了激光雷達應用場景之后，讓我們來看看激光器的發展情況。激光器技術主要有三種：邊發射激光器（EEL）、垂直腔表面發射激光器（VCSEL），還有光纖激光器。

圖5 三種激光器技術（圖片來源：艾邁斯歐司朗）

這三種技術各有優缺點。

●   EEL：具有非常高的功率密度，達到60000W/ 每平方毫米，大約是VCSEL 的數十倍（圖6），因此，其在光功率密度占據絕對優勢，特別適用于遠距應用。

●   VCSEL：VCSEL 的優勢在于其垂直發射結構，以及其較小、圓形的光斑。這使得VCSEL 在某些需要特定光學結構的應用中具有優勢。另外，相比邊緣發射，VCSEL 的溫度漂移問題相對較小，這意味著在變化的環境溫度下，它可以提供更穩定的性能。VCSEL 在短距固態應用中有優勢，但在中長距離應用中會有挑戰。

●   光纖激光器：輸出功率高、光束質量好、速度快，是高性能系統的理想選擇。但其復雜性顯著增加，而且成本以及過車規是挑戰，市場接受度相對較窄。不是一個長期發展之選。

根據知名分析機構Yole 的報告，在雷達激光器方面，EEL 占據市場主導地位，VCSEL 也開始逐漸被應用。其他幾種技術如FL 和FMCW 則相對份額較小。

圖6 EEL和VCSEL兩種技術的關鍵參數一覽（圖片來源：艾邁斯歐司朗）

圖7 幾種激光器的市場份額（數據來源：Yole LiDAR report Aug. 2022）

所以，EEL 和VCSEL 這兩種主要的激光器技術正在全力賽跑，各大公司根據自身的雷達技術路線和策略，選擇采納不同的激光器技術，導致市場上出現了多種技術并存、競相輝映的現象。

3 激光雷達與激光器如何適配？

激光雷達技術主要包括機械旋轉式、MEMS 及Flash 雷達等多種技術路線。根據知名分析機構Yole 的報告，當前市場上主要采用機械旋轉式激光雷達，占據較大的市場份額。盡管MEMS 雷達在市場份額上尚處于較小狀態，但預期其在未來三年將會迅速增長。長遠看來，Flash 雷達技術可能會成為主流。

從激光器的選擇和適配當中來看，機械旋轉雷達方案中目前是EEL 為主，有少量VCSEL 的方案。在MEMS 和棱鏡式雷達中，也基本都是以EEL 為主。而在分區覆蓋的1D、2D 的應用中，只有VCSEL 能做。在全覆蓋固態雷達方面最大的挑戰是長距的應用，目前看EEL 和VCSEL 都難以勝任。

圖8 雷達技術市場份額發展趨勢（數據來源：Yole LiDAR report Aug. 2022）

4 艾邁斯歐司朗：EEL與VCSEL技術的創新引領者

為了推動EEL 與VCSEL 激光器技術的應用發展，艾邁斯歐司朗正在從多個角度出手。

（一）EEL 激光器的技術提升方向

1、從單通道擴展到多通道，逐步向線光源和面光源發展。

2、繼續提高光功率和效率，這是核心之爭。通過芯片技術的革新帶來的多結技術。其所帶來的直觀提升是，以前的功率為65 W 的設備，現在可以在相同的體積和驅動條件下，增加到100 W。同樣地，原先120 W的設備現在有可能達到180 W 甚至200 W。

3、與VCSEL 不同，EEL 并不能通過增大面積來提高功率，但通過提升諧振腔的腔長，可以在相同的發光口徑下增加其功率和功率密度。

4、減小出光口尺寸也是一個主要方向。原來的220 mm 的尺寸現在已經減少到110 mm，并有望進一步減小到60 mm 或50 mm。

關于溫度漂移的問題，對艾邁斯歐司朗而言已不是難事。如圖10 綠色線所示，艾邁斯歐司朗已將邊發射激光器的技術做到，在-20℃ 到105℃ 的溫度范圍內的偏移空間從35 nm 減少到10 nm。首批客戶反饋表明，減少30 nm 的波長偏移可以通過降低背景噪聲（SNR1增加）使測量范圍增加約40％。

（二）VCSEL 激光器的發展方向

功率密度是VCSEL 的一個短板。因此，技術研發團隊一直在利用其天然的優勢，特別是在尋址能力上，無論是1D 還是2D，其優勢都十分明顯。具體而言，為了提高VCSEL 的功率密度，一方面是通過提升結數，從三結、五結提升到六結到八結，甚至是更多；另一方面是提升填充因子。

5 艾邁斯歐司朗的車規級VCSEL產品路線

VCSEL 在短距離中的應用前景廣闊，但在激光雷達市場，VCSEL 的高度定制化帶來了巨大投資壓力。為此，艾邁斯歐司朗首先推出了標準化產品來幫助客戶評估其系統，部分已經通過芯片部分相關的車規或正在認證的路上。

在Flash 雷達領域，目前，艾邁斯歐司朗從五結層到八結層的產品樣品已達到2 000 W/ 平方毫米的功率密度。在1D 和2D 領域，艾邁斯歐司朗的OSLO 和Riga平臺可以與主流SPAD 有非常好的匹配。

6 艾邁斯歐司朗的EEL產品規劃

梁澤春表示，EEL 領域的裸片產品， 如65 W、125 W，以及低溫漂和多通道產品，可能已為大家所熟知。我們更推薦封裝產品，封裝產品不僅將裸片的處理難題交由元器件廠家解決，還采用了低成本的標準化封裝方式，如常見且已經達到車規標準的QFN 封裝。因此，我們建議優先選擇封裝產品，而不是裸片。

此外，艾邁斯歐司朗可以提供完全滿足車規要求的SMD 封裝技術，支持從單通道到多通道，從125 W 增至500 W，8 通道更可達1 000 W。而艾邁斯歐司朗的研發還不止于此，也涉及更多通道更高功率更小體積的解決方案。

7 結束語

無論是邊發射激光器（EEL）還是垂直腔表面發射激光器（VCSEL），艾邁斯歐司朗均專注于提供高度專業化的激光雷達技術解決方案。我們的產品線涵蓋從低功率到高功率，從單通道至多通道，以及從Flash 技術到1D 和2D 掃描技術。除此之外，艾邁斯歐司朗還深耕于車規級別的產品認證，確保產品的安全與可靠性。全球范圍內，無論是哪種技術應用架構，我們都與頂級的Tier1 供應商和原始設備制造商（OEM）保持長期而成功的合作伙伴關系。

（本文來源于EEPW 2023年12月期）