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十年前從“零”開始的1550nm激光雷達，將在百年內(nèi)拯救一億人生命

時間：2022-09-28 10:40:47

關鍵字：激光雷達 1550nm Luminar ADAS

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[導讀]今日飛凡R7上市，采用Luminar Iris激光雷達。本文為你揭開這一十年前從“零”開始的1550nm激光雷達，如何將會在百年內(nèi)拯救一億人生命。

自動駕駛中有三個要素：感知、決策和控制。其中感知層尤為關鍵，是所有決策的基礎，準確的感知是未來自動駕駛安全性的首要保障。目前感知層面應用的傳感器主要是攝像頭、毫米波雷達和激光雷達，其中激光雷達能夠通過優(yōu)質(zhì)的探測能力構建三維立體的環(huán)境，解決目前很多自動駕駛系統(tǒng)中無法解決的一些邊緣場景問題，因此備受關注。

要實現(xiàn)準確的環(huán)境感知檢測，傳統(tǒng)的905nm波長的激光雷達解決方案有著諸多局限，因此十年前，Luminar開始了全新的激光雷達產(chǎn)品的研發(fā)。

十年前從“零”開始，研發(fā)1550nm激光雷達

2012年，年僅17歲的Austin Russell創(chuàng)立了Luminar。他的愿景是希望打造一款全新的激光雷達，能夠超出當前產(chǎn)品數(shù)倍乃至幾十倍的檢測能力和范圍。要在905nm的激光雷達上實現(xiàn)更高的檢測能力，就需要提高發(fā)射功率，但過高的功率會對人眼造成傷害。要在保證更高性能的同時滿足使用的人體安全，因此Luminar選擇了波長更長的1550nm的激光雷達技術路線。

1550nm的技術在彼時對于Luminar而言幾乎是從零開始，要從激光發(fā)射器、接收器和掃描方式上進行技術攻堅，進行專用ASIC的研發(fā)設計。首先激光發(fā)射器需要能夠?qū)崿F(xiàn)高功率的激光脈沖和高質(zhì)量的光束發(fā)射；另一方面，接收器要具備高敏感度且有較廣的接收范圍。傳統(tǒng)的硅接收器已不能滿足1550nm波長的接收，因此需要進行全新的銦稼砷接收器的研發(fā)。據(jù)Luminar中國區(qū)負責人陳鈺博士介紹，Luminar激光雷達能夠600米最大探測距離，在小于10%的反射率對目標障礙物的檢測和識別能夠達到250米的探測范圍。（905nm激光雷達針對10%的反射度大約可以檢測到150米左右）

在掃描方式上，Luminar并未采用905nm激光雷達慣用的微振鏡的方式，而是使用轉(zhuǎn)鏡、擺鏡和電機驅(qū)動相結(jié)合的雙軸掃機制。微振鏡是通過一個高頻振動的微振鏡來實現(xiàn)的，這種掃描方式能夠覆蓋的轉(zhuǎn)角非常有限，要實現(xiàn)較大視場角的覆蓋，需要多個激光器和掃描器進行視場的拼接，這就提高了信號處理的復雜度。另外在高頻震動時，硅基微振鏡掃描器中懸臂梁的結(jié)構比較脆弱。由于這種拼接方式和結(jié)構脆弱，因此在激光雷達的制造過程中，安全和調(diào)試工作比較復雜而且耗時。

Luminar的掃描方式相對技術更為成熟，是一種二維點光束的掃描方式。橫軸采用轉(zhuǎn)鏡的方式，縱軸采用擺鏡的方式，通過雙軸的同時掃描能夠覆蓋整個激光雷達的視場角?；谶@種掃描方式，Luminar在垂直方向上定義了一個ROI（Region of Interest）區(qū)域，即感興趣的駕駛空間。在感興趣的區(qū)域，可以調(diào)整激光雷達的掃描精度，增加掃描的線束，實現(xiàn)高密度、高精度掃描以及遠距離物體的識別，實現(xiàn)每角平方度300個點高分辨率的優(yōu)質(zhì)掃描性能。而傳統(tǒng)機械式激光雷達多使用線光束，只能實現(xiàn)一維的掃描方式，只通過旋轉(zhuǎn)掃描方式，在垂直方向無法實現(xiàn)掃描精度的優(yōu)化。

在低階輔助駕駛中，用1550nm激光雷達提高主動安全

技術上的講解比較枯燥，結(jié)合實際場景更容易理解1550nm激光雷達相比905nm激光雷達的優(yōu)勢。據(jù)陳鈺博士介紹，1550nm的激光束的能量比較集中，因此對于遠距離的小障礙物的檢測更具優(yōu)勢。

一個激光束的散射率是和波長的四次方成反比的，當激光束達到遠距離處一個小障礙物時（比如一個20cm×30cm），由于1550nm的激光束能量非常高且激光束散射比較低，激光能量比較集中，對遠處小障礙物的識別在50米外可以檢測到16-21個點，在150米還有1-4個點的檢測能力。但905nm激光束散射率較高，當激光束達到遠距離時斑點會比較大，為了識別遠距離的物體，必須要達到一定范圍的覆蓋才能反射回波被激光雷達所識別，所以它能夠檢測的點數(shù)會和1550nm有本質(zhì)區(qū)別。在更遠的距離，由于物體比較小，無法覆蓋整個激光束能量的一定的百分比以上，對遠處物體就無法進行識別。

除了物體檢測外，另外一個重要性能是車道跟蹤和車道線檢測，Luminar的技術能夠達到150米遠距離的探測和檢測范圍。如果只采用一維的掃描方式，在垂直方向采用陣列的多個激光器，由于激光器分布是均勻的，就無法實現(xiàn)對前方道路重點掃描區(qū)域的精度優(yōu)化。Luminar的二維掃描方式可以動態(tài)提高垂直方向上的掃描精度，通過Luminar感知軟件，可以將汽車前方道路的檢測、感興趣的區(qū)域進行動態(tài)調(diào)整。當汽車上下坡、或通過一些地面的障礙物時，可以根據(jù)汽車姿態(tài)動態(tài)識別汽車可駕駛的空間，根據(jù)駕駛空間來優(yōu)化感興趣區(qū)域的掃描精度。這樣就可以在道路駕駛過程中，永遠保持對駕駛員前方感興趣的視野的進行高精度掃描，實現(xiàn)高精度的探測。

對于Luminar而言，除了L3、L4級的高階自動駕駛外，同樣更關注在低階的輔助駕駛中應用激光雷達，來提高主動安全性。

據(jù)統(tǒng)計數(shù)字顯示，目前輔助駕駛系統(tǒng)在大概每十幾公里就會發(fā)生某些誤判。當前的傳統(tǒng)輔助駕駛系統(tǒng)一般在低速駕駛過程中能夠提前介入，檢測到附近的物品，并不能夠在更高速的場景中，對于遠距離的物體實現(xiàn)準確判斷。

由于Luminar 1550nm激光雷達在檢測距離和精度比現(xiàn)有產(chǎn)品有大幅度提升，因此在自動緊急制動、自動緊急轉(zhuǎn)向兩個功能上，所能覆蓋的場景會有大幅提升，在更高的速度、更遠距離的障礙物場景中，也能夠幫助駕駛員提前介入，實現(xiàn)安全性的提升。

除了1550nm的激光雷達和軟件，同時Luminar也在加緊研發(fā)一個名為“哨兵”的全棧式自主解決方案，預計到年底會有一個Beat版本發(fā)布，旨在幫助激光雷達在量產(chǎn)車上實現(xiàn)主動安全性能提高和高速公路自動駕駛安全性。

陳鈺博士表示，Luminar的愿景是在100年內(nèi)拯救1億人的生命，期待1550nm的激光雷達未來可以成為所有汽車的標配，就像安全帶、安全氣囊一樣，實現(xiàn)避免事故拯救生命的宏偉理想。另外，在高速公路自動駕駛，相對沒有那么復雜的駕駛場景中，希望通過激光雷達產(chǎn)品盡早幫助客戶實現(xiàn)自動駕駛的功能。

布局1550nm激光雷達技術：自研+收購垂直整合

為了實現(xiàn)在1550nm激光雷達上的絕對統(tǒng)治力，Luminar一方面在內(nèi)部進行了數(shù)年的關鍵技術打磨，另一方面也進行了一系列的垂直收購整合。

例如Luminar將Optogration的InGaAs光電探測器芯片與BFE(Black Forest Engineering)生產(chǎn)的硅ASIC相結(jié)合，打造出激光雷達接收器和處理芯片。這是世界上同類產(chǎn)品中靈敏度最高、動態(tài)范圍最高的InGaAs接收器，能夠每秒獲取和處理千兆位的精確數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生最佳的激光雷達數(shù)據(jù)。另一家被收購的公司Freedom Photonics具備高功率激光器及其相關光子集成電路技術，可以優(yōu)化未來的激光雷達傳感器性能，并有效降低成本。Open Photonics 是一家致力于光學和光子技術商業(yè)化的開放式創(chuàng)新公司，這次收購幫助 Luminar 獲得了激光雷達領域優(yōu)秀的技術人才。

經(jīng)過了十年的發(fā)展，Luminar已經(jīng)掌握了1550nm激光雷達的核心技術，并且也具備了批量生產(chǎn)、成本和質(zhì)量的掌控能力，能夠保證自身供應鏈安全。在推出Iris激光雷達產(chǎn)品后，已經(jīng)逐步獲得了商業(yè)伙伴主要客戶的量產(chǎn)定點項目。陳鈺博士表示，Luminar通過這些核心零部件技術和公司的收購，能夠達到一個很好的垂直整合，為將來量產(chǎn)發(fā)展和規(guī)模發(fā)展創(chuàng)造很好的優(yōu)勢和條件。

另外，除了為未來三到五年的量產(chǎn)項目提供技術、產(chǎn)品之外，Luminar還有一個基礎研發(fā)團隊，不斷創(chuàng)新激光雷達未來技術和新一代產(chǎn)品的發(fā)展，為自動駕駛行業(yè)的長期發(fā)展做出貢獻。

未來：在中國實現(xiàn)本土化生產(chǎn)

在汽車的電動化、智能化發(fā)展中，中國實際是走在了全球汽車行業(yè)發(fā)展的前端。Luminar也希望能夠在其中扮演重要的角色，和中國客戶共同探索未來智能汽車發(fā)展。針對中國市場，Luminar制定了三個策略：差異化、本土化和合作伙伴。

“差異化”是指助1550nm這一全新的激光雷達產(chǎn)品，為客戶帶來差異化的價值。針對未來3～5年的量產(chǎn)車，Luminar已經(jīng)提供了Iris這樣產(chǎn)品，未來還會繼續(xù)拓展產(chǎn)品路線圖。

“本土化”指的是通過中國市場建立強有力的團隊，能夠吸納自動駕駛、激光雷達甚至光學、電子等方面的人才，在中國市場建立一個強大的技術能力，能夠提供本土化的量產(chǎn)項目的支持和服務。當前，汽車行業(yè)供應鏈的安全、供應鏈的效率是業(yè)內(nèi)非常關注的問題。針對本土化的生產(chǎn)、供應商和供應鏈的本土化，Luminar也在積極規(guī)劃當中，希望未來可以尋找到一些合作伙伴，在中國實現(xiàn)本土化的生產(chǎn)。

“合作伙伴”指的是和中國不同類型的廠商、高科技公司建立廣泛而深入的合作伙伴。不論是OEM、整車廠還是自動駕駛解決方案商、高科技公司，在其系統(tǒng)方案中激光雷達都是非常重要的傳感器，基于此可以和Luminar建立一個戰(zhàn)略合作伙伴關系，透過高性能的激光雷達技術，提升自動駕駛解決方案的性能和穩(wěn)定性。