讓馬斯克憂心忡忡之激光雷達第一股的隱憂

不管是全固態(tài)、準固態(tài)，還是Luminar的半固態(tài)激光雷達，要躲過資本市場的風險，必須經過量產落地的檢驗。

業(yè)界的普遍共識：固態(tài)激光雷達是自動駕駛的未來。2020年底，95后Austin Russell在2012年創(chuàng)辦的激光雷達公司Luminar市值達120億美元，是老牌激光雷達廠家Velodyne的4倍左右，成為全球激光雷達第一股，讓不喜歡激光雷達的特斯拉CEO埃隆·馬斯克不快。令人不解的是，還沒有走上固態(tài)這條路，媒體卻以訛傳訛說它是固態(tài)MEMS路線，其實它還是雙軸轉鏡，頂多是個半固態(tài)。

媒體的誤導

Luminar招股書：唯一可量產激光雷達

為什么那么多資本和廠商追捧，這樣的公司風險在哪里呢？

靠技術還是靠資本？

2016年11月，2009年創(chuàng)立的以色列Oryx Vision就推出了滿足自動駕駛應用的低成本新型相干光（coherent light）激光雷達系統，2017年又獲5000萬美元B輪融資。

Oryx的大多數員工都是物理學家、光學工程師以及天線工程師，其“高大上”的長波太赫茲紅外激光器的光人眼不可見，功率更高，因此射程更遠，信號更強。這種光還很難被水吸收，不會被云霧、強烈的陽光直射所干擾，消除了其他傳感器的弊端。

但是，在打敗傳統激光雷達的量產戰(zhàn)爭開始不久，Oryx卻已無以為繼，2019年8月宣布關停。其直接競爭對手以色列激光雷達初創(chuàng)公司Innoviz Technologies卻在同年6月完成了1.7億美元的C輪融資。

成立更早的TetraVue專攻Flash激光雷達，欲統治自動駕駛業(yè)務，成立快10年的2017年終于吸引博世、三星、富士康千萬美元入局，今天卻等來了關門結局。

汽車行業(yè)需要滿足嚴格的性能要求，以確保安全性和可靠性，同時還有工業(yè)化和經濟性所需的可擴展性。技術再好，資本等不及也無法追隨其走到最后。

還有一類公司，還沒有量產產品，股票卻已雞犬升天，就像Luminar，資本市場認為：其激光雷達性能是目前最好的，期待上車的主機廠很多。

毋庸置疑，激光雷達對于解鎖自動駕駛至關重要，毫不夸張，有成千上萬種獨特方法構建一個激光雷達傳感器，其中數百個方法是合理的。所以，才有那么多剛起步的激光雷達公司聲稱自己的技術獨一無二，但最終卻在從研發(fā)到汽車量產的過程中應聲倒下。

激光雷達成功的技術要素有哪些？

這些因素是Luminar產品總監(jiān)Matt Weed博士列舉的。他指出，設計激光雷達需要考慮波長、測距方法和場覆蓋方法三個頂層因素，以滿足一系列至關重要的要求。

至關重要的要求

波長

激光雷達工作波長決定了關鍵光電元件的半導體材料。波長對核心傳感器的設計和生產至關重要，代表了安全性和易用性之間的權衡。較短的近可見紅外波長（如905nm）對人眼危害大，即使不可見，能量仍會集中在視網膜上。

汽車激光雷達需要遠距離測量物體，需要波長輸出巨大的能量，同時保證眼睛安全。如果能達到IEC60825-1激光安全標準的Class 1（1550nm），就是最安全的級別。

測距法

激光雷達測距方法在于測量傳感器每個像素的距離，通過不同方式，光被編碼并發(fā)送到目標上，散射出目標傳回傳感器，由設備計算出所經過的距離（或時間）。像任何傳感器一樣，每個激光雷達距離測量的質量可以隨信號的增加而提高，而激光雷達的性能受信號強度的影響很大。增加信號強度有三種方式：發(fā)射更多激光；增加測量時間收集更多的光；或平均多次測量收集更多的光。測距方法主要有幾種：

①性飛行時間

飛行時間（ToF）是為點云中每個像素發(fā)送一個短脈沖，上百個同時返回的光子可提供瞬時高置信距離，實現低功耗的高測量率測量，立即了解反射率，且沒有速度相關的射程誤差。

②單光子探測（SPD）

與線性ToF類似，這種方法也使用短脈沖。不過，為了利用短波材料，使用了一種靈敏到可以探測單個光子的探測器。其折衷是不知道有多少光子返回，也不知道它們來自哪里。必須為每個像素捕獲許多脈沖測量（大約100個），以解釋太陽、前照燈和其他傳感器的所有噪聲中可能存在的真實目標。這項技術在高速汽車非受控和安全關鍵應用中，干擾敏感性和時延都不可接受。

③調頻連續(xù)波（FMCW）

FMCW可有效地將傳輸的光能傳播成連續(xù)（非脈沖）信號，當需要每秒100萬次左右的測量來實現汽車激光雷達的感知目標時，這就是問題了。

場覆蓋方法

場覆蓋方法包括創(chuàng)建三維點云的傳感器分布和光線收集，其測量質量（如角指向精度）與測距數據質量同等重要。場覆蓋法有很多，常見的有閃光（flash），掃描和混合（hybrid）方法。

① 閃光

閃光激光雷達類似攝像頭，為點云的每個像素分配一個探測器。這些架構通常在1100nm波長以下工作，波長越長探測器陣列成本越高。當整個場景同時被照亮時，可有效地將整個幀的激光能量打包成單個脈沖。除了檢測范圍較小，其每幀都是固定像素和固定點模式。這意味著傳感器必須縮小整個視野，以在中心實現更高的點密度，實際上忽略了大部分道路。這種架構在不受控環(huán)境會出現故障模式：

環(huán)境光（如陽光）下性能降低；

光串擾引起的明亮目標（如交通標志）幾何偽影；

光學串擾引起遮蔽物（如雪）產生幾何偽影；

激光雷達干擾（普通場景和直接視線）。

解決這些故障模式會進一步降低實際射程和分辨率，使閃光模式不適合公路駕駛。

② 閃光/掃描混合

一個維度是閃光，另一個維度以某種方式掃描，通常會在一個維度上遇到閃光的缺點。1D閃光最常見示例是3D激光雷達市場先驅使用的旋轉臺一維掃描架構，需要在成本與性能之間取舍，這就削弱了供應商利用多市場容量改善成本的能力。

③ 掃描

掃描激光雷達是以某種方式移動傳感器視野周圍的光線。人們希望盡量減少激光雷達中的運動部件，因為運動物體往往比靜止物體更容易發(fā)生故障。許多激光雷達結構聲稱是固態(tài)的，沒有運動部件，但仔細觀察，其運動部件很脆弱。

-MEMS：即微機電系統驅動微型掃描鏡，掃描部分容易出現故障、制造不一致和環(huán)境不穩(wěn)定。不穩(wěn)定的掃描儀在振動和沖擊時角度保真度較差，在實際駕駛時往往發(fā)生大量問題。（這就要看是半導體工藝制造的MEMS掃描鏡穩(wěn)定，還是采用比較傳統方法制造的雙軸掃描鏡可靠了——作者）

-硅光子：當把光耦合到自由空間世界時，光相控陣和集成到光波電路中的類似方法很難實現。雖然這些器件是真正的固態(tài)掃描，但其效率很低（系統損失約75%的光），而且提供的光束組織不良，導致整個場景中的假陽性檢測率極高。此外，熱穩(wěn)定性存在問題，因為這些器件中有許多是通過對材料光學特性的局部熱控制來實現的。（以下介紹的真正全固態(tài)激光雷達就是這種類型——作者）

-掃描鏡：質量越小魯棒性越好，為滿足苛刻的汽車要求，低質量電動掃描鏡是迄今為止最具光學效率和魯棒性的掃描選擇。（MEMS驅動微鏡是當今最小、質量最輕的掃描鏡——作者）

在科技領域，技術是死的，人是活的，何況還有技術整合呢。而在資本市場，更是什么都有可能發(fā)生！

真正全固態(tài)激光雷達是這樣的

Yole光子與傳感研究員Pierrick Boulay說：“類似很多市場，激光雷達技術路線正在逐漸向數字化發(fā)展，雖然會花一些時間，但結果通常都一樣：傳統產品創(chuàng)造市場，數字化產品最終將主導市場。”

5月中旬，美國初創(chuàng)公司Ouster宣布，國內特殊區(qū)域無人駕駛方案及運營商踏歌智行無人礦卡搭載其已量產OS1激光雷達。另外，新產品ES2首批樣品將于2022年交付，計劃于2024年量產，車規(guī)量產項目初始價格為600美元，最終有望降至100美元。到目前為止，Ouster已累計融資超過1.4億美元，已贏得全球800多個客戶。不過，其股票在經歷了2020年瘋狂后也是一路下跌。

ES2固態(tài)激光雷達仍沿用OS1成功驗證的獨有數字架構，是為市場上第一款全固態(tài)、高分辨率、長距離數字激光雷達，探測距離超過200m。

首款全固態(tài)數字激光雷達

Ouster CEO兼聯合創(chuàng)始人Angus Pacala說：“為什么說數字激光雷達是未來？2015年公司成立，就是為了設計市場需要的高性能、可靠且價格可接受的傳感器。激光雷達的長期贏家需要做的不僅是滿足客戶當前需求，還要滿足其未來需求，需要不斷穩(wěn)步提高性能，降低成本。這也是我們研發(fā)數字激光雷達技術的初衷?！?/span>

激光雷達行業(yè)是一個日趨成熟且不斷變化的行業(yè)，市場對性能和成本的要求不斷提高。全固態(tài)激光雷達就是在這樣的環(huán)境下出現的。Ouster自研的基于CMOS工藝的單光子雪崩二極管（SPAD）傳感器芯片可確保數字激光雷達的性能在未來很多年內穩(wěn)步提升。

ES2通過“電子掃描”方式依次從集成在單芯片上一萬多個激光器發(fā)射單光子。激光器與定制數字探測器陣列匹配，每秒能夠計數萬億個單光子。因此，ES2不需要任何移動部件就可以實現客戶對測距、視場角和分辨率的要求。ES2的激光器和探測器陣列核心技術與OS系列旋轉式激光雷達相同，也與iPhone和iPad Pro等消費類設備一致。

看看ES2的一些特性：

極簡的架構：不同于傳統激光雷達內部有上千個零部件，專為長、中、短距應用設計的Ouster數字激光雷達內只有一個VCSEL（垂直腔面發(fā)射）激光器芯片和一個SPAD傳感器芯片，大大降低了價格，提高了性能和可靠性。

兩塊芯片+兩片透鏡取代透鏡模組

專為量產設計：ES2與OS系列激光雷達共享86%的零部件，降低了技術和生產風險，有助于實現大批量生產。

滿足自動駕駛要求：200m+（10%反射率）探測距離，工作壽命100,000小時，有助于實現ADAS，易于集成。

固件更新：任何型號的激光雷達均可更新固件。

車規(guī)級別：ES2比目前市場上很多“半固態(tài)”激光雷達結構更簡單、更可靠，滿足甚至超過車規(guī)要求。

最嚴格的行業(yè)標準：ES2通過了網絡安全、沖擊及振動、熱循環(huán)、防護等級等測試認證，其中包括ISO 26262（ASIL-B）、SIL-2和ASPICE。

量產一致性：ES2和OS系列所使用的數字部件均來自消費電子設備供應鏈，兩類產品生產線一致，這也是其獨有優(yōu)勢之一。原有OS系列旋轉式激光雷達的制造、校準和驗證均已實現規(guī)?；\行，ES2將直接在Ouster海外制造工廠中一條已運行量產線上生產。

全球激光雷達第一股履歷很牛

2022年，Luminar眼看成立就快10年了，加州這家公司都做了什么呢？

2016年

-收購光學和光子技術商業(yè)化創(chuàng)新公司Open Photonics，現任CTO Jason Eichenholz曾是Open Photonics的CEO。

2017年

-收購高性能InGaAs（銦鎵砷）接收器公司Black Forest Engineering，開始設計ASIC。

-9月，豐田研究院種子輪投資3600萬美元，成為第一家公開合作伙伴；早期投資還有1517 Fund、Canvas Ventures和GVA Capital。

2018年

-4月，發(fā)布全球感測能力最強、動態(tài)范圍最高的銦鎵砷接收器，年底完成設備擴容后，將面向全球自動駕駛汽車推廣。（沒有看到進一步消息——作者）

-6月，沃爾沃投資，成為其第二家公開合作伙伴，將其激光雷達傳感器優(yōu)雅平滑地嵌入沃爾沃車頂。

嵌入沃爾沃車頂

-12月，與奧迪子公司Autonomous Intelligent Driving（AID）合作，并成為大眾、保時捷等大眾集團品牌供應商。

2019年

-7月，Luminar推出新款ADAS激光雷達Iris，又融資1億美元，總融資額達2.5億美元。新融資來自11個現有投資者。

2020年

-1月，推出專為高速公路設計的新款激光雷達Hydra，它可探測80m范圍內道路、150m范圍內車道及250m范圍內物體，最遠探測距離達500m，在單點和物體方面都具有速度點云屬性。新款感知計算機只需30W電力（比電視機省電），其參考設計由英偉達Xavier硬件支持。

-1月，引入新穎的傳感器租賃業(yè)務，合作伙伴可以租賃Hydra激光雷達系統。Hydra租用價格取決于每輛汽車和每種應用所需傳感器數量（還沒有量產怎么租賃？是誰租？前裝還是后裝？不像電動汽車電池動輒幾萬元，幾百美元的東西值得租賃嗎？——作者）

-5月，與沃爾沃汽車正式簽署多年供應協議，后者將在其2022年上市的汽車自動駕駛系統中使用這些傳感器。這是Luminar第一份大批量供貨協議。

Luminar唯一的車規(guī)級激光雷達Iris

-10月，戴姆勒卡車表示將收購其少數股權，以支持其自動駕駛卡車開發(fā)。卡車使用三個傳感器支持360°FOV（視場角），乘用車使用單傳感器支持120°FOV。

乘用車、卡車均可配置

-12月，Luminar登陸納斯達克，成為全球市值最高的激光雷達公司。

2021年

-3月，與沃爾沃自動駕駛子公司Zenseact合作創(chuàng)建全堆疊自動駕駛系統Sentinal，2022年在新沃爾沃XC90上首次亮相。CEO在接受福布斯采訪時表示，其L4系統可以讓駕駛員脫手，眼睛離開道路駛，而特斯拉FSD仍然是L2。

-3月，與上汽集團達成戰(zhàn)略合作，將為后者2022年量產的R品牌純電動車ES33提供激光雷達傳感器及相應軟件系統。

上汽R品牌搭載車頂激光雷達

-4月，特斯拉法務副總裁兼代理法律總顧問Alan Prescott離職，將加盟Luminar，股價大漲15.22%。

-5月，與小馬智行聯合發(fā)布一體式自動駕駛傳感系統，搭載Iris系列激光雷達，實現360°全方位多傳感器融合方案，計劃到2023年完成上述自動駕駛系統量產。

小馬智行搭載Luminar激光雷達

-5月，Luminar股價從上市后最高50美元跌至17美元左右。120億美元到約70億美元市值不到5個月時間。一季度財報顯示，Luminar目前已經和超過50家車企、自動駕駛公司及相關企業(yè)達成合作；目前已有訂單總金額超過13億美元；一季度經營大額虧損；已擁有60項專利。

Luminar股價周線圖

迄今為止，其3美元激光雷達接收器3年沒見；激光雷達產品亦然?？梢钥隙ǖ氖牵谄渥杂挟a品Iris真正大規(guī)模量產前，虧損局面無法好轉。

Luminar哪里與眾不同？

能夠吸引這么多資本大佬，Luminar的技術肯定與主流方案不同，其核心產品有二：Iris激光雷達和自動駕駛軟件方案Sentinel。前者的技術創(chuàng)新體現在激光波長、接收器和測距方法，后者主要是軟硬件一體。

Luminar與傳統激光雷達組件

905nm激光雷達探測距離較短，增加距離就要加大功率，對人眼有害。Luminar采用對人眼無害的1550nm大功率激光，以增加探測距離和點云分辨率。905nm是目前最常見的激光雷達波長，Velodyne等其他廠商都是905nm激光，接近人類400至700nm的能見度，無法實現大功率。（國內大部分廠商都是905nm產品，小鵬P5等也已搭載——作者）

接收器采用銦鎵砷替代常用的硅，雖然材料貴很多，但收購的Black Forest Engineering后設計的ASIC可以實現更好的光子效率和動態(tài)范圍，使接收器成本從數萬美元降至3美元。為此，固態(tài)激光雷達的成本可降到500-1000美元。L2用500美元的，L4用1000美元的。（從數萬美元到3美元？可能吧——作者）

Matt Weed博士說，研究人員在分析了上述測距方法后，選擇了線性飛行時間作為技術路線，并從芯片級開始構建獨特架構，跨越了其他許多激光雷達面臨的常見陷阱。目前處理硬件ASIC已升級到第四代。（專用芯片都四代了，還沒有量產的產品？——作者）

Luminar激光雷達指標很簡單

通過分析常見架構的缺陷，Luminar的自動駕駛軟件方案Sentinel構建了一條不會造成性能折衷的路徑，以滿足業(yè)界嚴格的性能和經濟要求，為客戶提供激光雷達硬件和相關軟件，既保證不妨礙實現強健的安全性，又有助于實現自動駕駛的成本目標。（沒有細節(jié)——作者）

連準固態(tài)都不是？

首先，Luminar的產品不是固態(tài)激光雷達（下圖）。其掃描方法是“120°×30°FOV的雙軸掃描鏡（轉鏡），僅掃描激光而非整個激光雷達轉動”。乍一看，會誤以為它是采用MEMS微鏡的激光雷達，但它不是，后面會有敘述。

Luminar的掃描鏡及其他特色

MEMS激光雷達是一種準固態(tài)形式，沒有激光雷達的旋轉結構，激光本身不發(fā)生物理運動，而是通過移動MEMS掃描鏡（微鏡）來控制和調制激光，系統其余部分都是靜止的。

MEMS的最大特點就是“微型”，是尺寸在幾毫米乃至更小的微型裝置。MEMS的內部結構一般在微米甚至納米級，是一種獨立的智能系統芯片。

MEMS微鏡以彎曲來改變水平和垂直掃描角度

上面，Matt Weed博士曾抨擊準固態(tài)MEMS雷達“運動部件很脆弱”，想必Luminar激光雷達就不是MEMS技術，可它又使用了掃描鏡，是不是那種傳統的光學掃描鏡呢？如果是，體積質量大、成本高，何談先進呢？

從專利到資本市場

2020年9月，Luminar公布的一項專利詳細介紹了其激光雷達設計。想法很先進：一個激光雷達光源，通過光纖可以送到車輛的任何需要感測的地方，設計隨意，安裝也非常方便。

Luminar激光雷達光源專利

再看Luminar激光雷達內部結構，零部件令人眼花繚亂，相信有一點機電常識的人都會發(fā)現：其核心元件是兩個掃描器，一個是水平掃描器12，它包含一個矩形立方體18……30是轉動立方體的電機主軸，32是電機；另一個是垂直掃描器14，橫跨整個激光雷達外殼；64為垂直掃描器電機……在77附近還有傳動皮帶。

這分明是一個機電一體化的東西，哪里是什么固態(tài)、半固態(tài)激光雷達？

Luminar激光雷達內部結構

當然，也許整個專利不是Luminar正在使用的架構，那為什么申請呢？話說回來，專利并非都能實現，能實現未必可以量產。只要是專利局查重沒有的東西都可以申請專利，申請后18個月自動公開。很顯然，這個專利對Luminar如火如荼的資本市場十分不利。

12月中旬，著名看空機構香櫞研究（Citron Research）將Luminar稱為“傻瓜游戲”，并推薦另一同業(yè)公司Velodyne的股票，Luminar股價應聲從最高位大跌17%，現在更低。

最近，國內財經網站在關于激光雷達的評論中也放出了“馬后炮”。