LiDAR揭秘：“波長大辯論”的深入指導(dǎo)

Bahman Hadji

人們普遍認(rèn)為，先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動(dòng)駕駛（AD）之所以成功，是因?yàn)樗梢杂行У馗袦y車輛周圍的環(huán)境，并將感測到的信息輸入實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航的算法中。考慮到在生死攸關(guān)的情況下對感測技術(shù)的絕對依賴性，系統(tǒng)通常使用多個(gè)傳感器模式，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，以增強(qiáng)彼此，并提供冗余。這樣每種技術(shù)都能發(fā)揮其優(yōu)勢，并提供更好的組合解決方案。

在未來ADAS和AD車輛中，傳感器主要有3種模式，分別是圖像傳感器、雷達(dá)和LiDAR（light detection and ranging，激光雷達(dá)）。每一種傳感器都有自己的優(yōu)勢，它們可以組成1個(gè)完整的傳感器套件，通過傳感器融合提供數(shù)據(jù)使自主感知算法并能夠做出決策，為場景中的每個(gè)點(diǎn)提供顏色、強(qiáng)度、速度和深度信息（如圖1）。

盡管早在幾十年前就出現(xiàn)了利用光測量距離的概念，但在這3種主要模式中，LiDAR是適用于大眾市場的新興商業(yè)化技術(shù)。由于需要完整傳感器套件的自動(dòng)系統(tǒng)激增，汽車LiDAR市場將呈現(xiàn)驚人的增長，預(yù)計(jì)從2020年的3 900萬美元增長至2025年的17.5億美元（來源：Yole Développement，2020年）。這是一個(gè)巨大的商機(jī)，專注于LiDAR技術(shù)的公司多達(dá)上百家，到 2020年對這些公司的累計(jì)投資額已超過15億美元，而且這一數(shù)據(jù)源自2020年底多家LiDAR公司發(fā)起SPAC（special purpose acquisition company，特殊目的收購公司）首次公開募股潮之前。但當(dāng)有這么多公司投身于同一項(xiàng)技術(shù)，而且這項(xiàng)技術(shù)基于完全不同的光波長時(shí)（最突出的示例就是905 nm和1 550 nm），最終總會(huì)有一種技術(shù)勝出，并整合其他技術(shù)的優(yōu)勢。就像我們一次次看到的那樣，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以太網(wǎng)、視頻技術(shù)VHS（video home system，家用錄像系統(tǒng)）等。

對于LiDAR技術(shù)用戶而言，即汽車制造商以及設(shè)計(jì)和制造客運(yùn)和貨運(yùn)自動(dòng)機(jī)器人車輛的公司，他們首先要考慮的是自己的需求。最終，這些公司希望供應(yīng)商提供高度可靠的低成本LiDAR傳感器，同時(shí)滿足低反射率物體的測距和檢測性能規(guī)范要求。盡管所有工程師都有各自強(qiáng)烈的主張，但如果供應(yīng)商能夠以合適的成本滿足性能和可靠性要求，這些公司則可能并不知道實(shí)施的是何種技術(shù)。正因如此，才引起了本文旨在幫助理清的根本性辯論：哪種波長將在汽車LiDAR應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位？

1 LiDAR概述

要解決這個(gè)問題，首先需要了解LiDAR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。LiDAR系統(tǒng)有不同的構(gòu)造。相干LiDAR，一種被稱為調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）的LiDAR，將發(fā)射的激光信號(hào)與反射光混合，以計(jì)算物體的距離和速度。雖然FMCW具有一定的優(yōu)勢，但與最常見的LiDAR方法“直接飛行時(shí)間（dToF）LiDAR”相比，它仍屬于不太常用的方法。該技術(shù)測量超短光脈沖從照明光源發(fā)出，到達(dá)物體后反射回到傳感器所用的時(shí)間，達(dá)到測距的目的。它通過有關(guān)時(shí)間、速度和距離的簡單數(shù)學(xué)公式，利用光速來直接計(jì)算與物體的距離。盡管波長的選擇主要影響發(fā)射和接收功能，但典型的dToF LiDAR系統(tǒng)有6大硬件功能（如圖2）。

表1顯示了各種LiDAR制造商列表，從知名的一級(jí)汽車供應(yīng)商到世界各地的初創(chuàng)公司。市場報(bào)告和公開資料表明，絕大多數(shù)公司的LiDAR在近紅外（NIR）波長下工作，而不是短波紅外（SWIR）波長。此外，雖然專注于FMCW（frequency modulated continuous wave，調(diào)頻連續(xù)波）的SWIR（short-wave（length）infrared（band），短波紅外）LiDAR供應(yīng)商只能使用相應(yīng)波長，但大多數(shù)采用直接飛行時(shí)間實(shí)現(xiàn)的供應(yīng)商都可以選擇使用NIR（near infrared，近紅外光譜）波長來構(gòu)建系統(tǒng)，同時(shí)還能夠利用其現(xiàn)有的IP（intellectual property，知識(shí)產(chǎn)權(quán)）相關(guān)功能，如波束控制和信號(hào)處理。

鑒于大多數(shù)制造商（而不是全部）都已選擇NIR波長，他們是如何做出這一決定的？他們需要考慮的影響有哪些？本文重點(diǎn)討論與構(gòu)成LiDAR組件的光和半導(dǎo)體材料性質(zhì)有關(guān)的基礎(chǔ)物理學(xué)知識(shí)。

在LiDAR系統(tǒng)中，激光發(fā)射的光子到達(dá)物體后應(yīng)反射回來，然后被探測器接收。在此過程中，這些光子必須與來自太陽的周圍環(huán)境光子競爭。通過觀察太陽輻射光譜，并考慮大氣吸收因素，我們發(fā)現(xiàn)某些波長的輻照度會(huì)下降，因而減少作為系統(tǒng)噪聲存在的光子量。905 nm波長下的太陽輻照度是1 550 nm的3倍（如圖3），這意味著NIR系統(tǒng)必須應(yīng)對更多干擾傳感器的噪聲。但這只是選擇LiDAR系統(tǒng)波長時(shí)需要考慮的其中1個(gè)因素。

2 傳感器

LiDAR系統(tǒng)中負(fù)責(zé)感測光子的組件為不同類型的光電探測器，因此必須說明為什么它們可以根據(jù)待檢測波長而采用不同的半導(dǎo)體材料制成。在半導(dǎo)體中，帶隙可將價(jià)帶和導(dǎo)帶分開，而光子可提供能量，以幫助電子克服帶隙問題，從而使半導(dǎo)體導(dǎo)電，繼而產(chǎn)生光電流。每個(gè)光子的能量與其波長有關(guān)，而半導(dǎo)體的帶隙與其靈敏度有關(guān)，這就解釋了為什么所需半導(dǎo)體材料取決于待檢測光的波長。硅是最常見也是制造成本最低的半導(dǎo)體，可響應(yīng)高達(dá)1 000 nm左右的可見光和NIR波長。為檢測SWIR范圍以外的波長，可對更稀有的III/V族半導(dǎo)體進(jìn)行合金化，使InGaAs之類的材料能夠檢測1 000～2 500 nm的波長。

早期的LiDAR將PIN光電二極管用作傳感器。PIN光電二極管本身沒有增益，因此無法輕松檢測到微弱信號(hào)。雪崩光電二極管（APD）是目前LiDAR中最常用的傳感器類型，可提供適當(dāng)?shù)脑鲆妗Ｈ欢?，APD也需要像PIN光電二極管一樣在線性模式下工作，以集成光子到達(dá)信號(hào)，而且在需要非常高偏置電壓的情況下也會(huì)受到制件質(zhì)地不均的影響。LiDAR中開始日益廣泛使用的最新型傳感器以單光子雪崩二極管（SPAD）為基礎(chǔ)，SPAD具有非常大的增益，并且能夠從每個(gè)檢測到的光子中產(chǎn)生可測量的電流輸出。硅光電倍增器（SiPM）是硅基SPAD陣列，其額外優(yōu)勢就是能夠通過觀察所生成信號(hào)的振幅來區(qū)分單個(gè)光子和多個(gè)光子（如圖4）。

回到波長這個(gè)話題，所有這些類型的光電探測器都可以采用硅（用于NIR探測）或III/V族半導(dǎo)體（用于SWIR探測）。另一方面，可制造性和成本是技術(shù)可行性的關(guān)鍵，且CMOS硅代工廠可實(shí)現(xiàn)此類傳感器的低成本、批量生產(chǎn)。正因如此，LiDAR在實(shí)現(xiàn)更高性能的基礎(chǔ)上逐漸開始采用SiPM。盡管存在適用于SWIR的APD和SPAD，但由于未采用硅基處理器，所以很難將它們與讀出邏輯集成在一起。最后，由于針對SWIR的III/V基SPAD陣列和光電倍增器（與SiPM相似）尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，所以生態(tài)系統(tǒng)更適用于NIR波長。

3 激光器

光子生成是另一種完全不同的流程。半導(dǎo)體P-N結(jié)作為增益介質(zhì)可用于制造激光器；這可通過泵送的方式使電流通過結(jié)，在原子進(jìn)入較低能帶時(shí)引起光子共振發(fā)射，從而產(chǎn)生相干激光束輸出來實(shí)現(xiàn)。半導(dǎo)體激光器基于直接帶隙材料（如GaAs和InP），與間接帶隙材料（硅）相比，這種材料對于原子進(jìn)入較低能帶時(shí)的光子生成非常有效。

LiDAR使用的2種主要激光器為：邊緣發(fā)射激光器（EEL）和垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。與VCSEL相比，EEL的成本更低，輸出效率更高，所以目前使用更廣泛。但EEL在封裝和組裝成陣列方面難度更高，而且還會(huì)受到溫度范圍內(nèi)波長變化的影響，導(dǎo)致探測器不得不尋找更寬的光子波長波段，才能將更多的環(huán)境光子檢測為噪聲。盡管較新的VCSEL技術(shù)成本更高、功效更低，但由于其光束是從頂部生成的，所以具有封裝簡單高效的優(yōu)勢。由于VCSEL的成本將繼續(xù)顯著降低，功效將提高，所以其市場采用率開始上升。EEL和VCSEL可用于NIR和SWIR波長生成，兩者之間的關(guān)鍵區(qū)別在于：NIR波長可使用GaAs生成，而SWIR波長則需要使用InGaAsP。大尺寸晶圓廠能幫助降低GaAs激光器成本，從成本和供應(yīng)鏈安全角度來看，這再一次突出了NIR LiDAR制造商生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢（如圖5）。

4 激光功率和人眼安全

在討論波長大辯論時(shí)，必須考慮LiDAR系統(tǒng)對人眼安全的影響。dToF LiDAR概念涉及以高峰值功率，沿著特定視角將短激光脈沖發(fā)射到場景。站在LiDAR發(fā)射路徑上的行人需確保自己的眼睛不會(huì)被射向自己方向的激光損傷，IEC-60825規(guī)范規(guī)定了不同波長的光的最大容許照射量。類似于可見光的NIR光能夠穿過角膜到達(dá)人眼的視網(wǎng)膜，而大部分SWIR光在角膜內(nèi)可被吸收，因此照射量更高（如圖6）。

從性能角度來看，對于基于1 550 nm的系統(tǒng)來說，能夠輸出高出多個(gè)數(shù)量級(jí)的激光功率是1個(gè)優(yōu)勢，因?yàn)檫@樣可以發(fā)出更多光子，從而檢測到更多返回的光子。但更高的激光功率也意味著需要進(jìn)行熱權(quán)衡。需要注意的是，適當(dāng)?shù)娜搜郯踩驮O(shè)計(jì)必須在不考慮波長的情況下進(jìn)行，同時(shí)必須清楚地考慮每個(gè)脈沖的能量和激光孔徑的大小。對于基于905 nm的LiDAR，可以通過其中的任意1個(gè)因素來增加峰值功率，如圖7所示。

5 NIR與 SWIR LiDAR系統(tǒng)對比

上文著重描述能夠輸出的激光功率大小，現(xiàn)在我們繼續(xù)探討所用的傳感器。顯然，可檢測更微弱信號(hào)的更高性能傳感器可為系統(tǒng)帶來多方面的益處——能夠?qū)崿F(xiàn)更長的測程，或能夠使用更少的激光功率來實(shí)現(xiàn)相同的測程。安森美開發(fā)了一系列可提高光子探測效率（PDE）的NIR LiDAR SiPM（silicon photomultiplier，硅光電倍增管），PDE是指示靈敏度的關(guān)鍵參數(shù)。其新推出的RDM系列傳感器PDE達(dá)到市場領(lǐng)先的18%。

為比較NIR dToF LiDAR與 SWIR dToF LiDAR的性能，我們利用相同的LiDAR架構(gòu)和不同激光和傳感器參數(shù)的環(huán)境條件進(jìn)行了系統(tǒng)建模。LiDAR架構(gòu)為共軸系統(tǒng)，配有1個(gè)16信道探測器陣列和1個(gè)遍布整個(gè)視場的掃描機(jī)制，如圖9所示。該系統(tǒng)模型已通過硬件驗(yàn)證，使我們能夠準(zhǔn)確估計(jì)LiDAR系統(tǒng)的性能（表2）。

由于使用了PDE較高的InGaAs合金，所以1 550 nm系統(tǒng)采用更高的激光功率以及更高的PDE傳感器，這樣就可以在我們的系統(tǒng)模擬中實(shí)現(xiàn)更出色的測距性能。通過使用傳感器鏡頭（分別對焦在大約905 nm和1 550 nm）上50 nm帶通濾波器過濾的100 klux環(huán)境光系統(tǒng)級(jí)參數(shù)，以30 fps、500 kHz激光頻率和1 ns脈沖寬度進(jìn)行超過80°的水平0.15°°×視角掃描，并使用22 mm鏡頭直徑，得出圖10的結(jié)果。

正如預(yù)期，1 550 nm系統(tǒng)能夠?qū)Φ头瓷渎饰矬w進(jìn)行更遠(yuǎn)的測距，99%的測距概率下可達(dá)到500 m。然而，基于905 nm的系統(tǒng)仍可以實(shí)現(xiàn)超過200 m的測距，這表明2種類型的系統(tǒng)在典型環(huán)境條件下都可以達(dá)到汽車遠(yuǎn)程LiDAR的要求。在雨水或大霧等惡劣環(huán)境條件下時(shí)，SWIR光的吸水性會(huì)使其性能比基于NIR的系統(tǒng)下降得更快，而這是另一個(gè)考慮因素。

6 成本考慮因素

在廣泛研究了LiDAR系統(tǒng)所用技術(shù)以及使用不同波長的影響之后，現(xiàn)在，我們回到成本考慮因素上。我們之前就解釋過，用于NIR LiDAR的傳感器采用天然 CMOS（complementary metal oxide semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）硅鑄造工藝，這可最大限度地降低半導(dǎo)體的成本。此外，通過使用代工廠目前已經(jīng)掌握的堆疊芯片技術(shù)，可將 CMOS讀出邏輯與傳感器集成到一個(gè)芯片中，這進(jìn)一步壓縮了信號(hào)鏈并降低了成本。相反，SWIR傳感器使用成本更高的III/V半導(dǎo)體代工廠（如InGaAs）和新型Ge-Si混合技術(shù)，雖然可降低SWIR傳感器成本，并能更輕松地集成讀出邏輯，但即使在技術(shù)成熟后，估計(jì)仍比傳統(tǒng)的CMOS硅貴5倍以上。從激光器方面看，用于制造NIR系統(tǒng)激光器芯片的GaAs晶圓與用于制造SWIR系統(tǒng)激光器芯片的InGaAs晶圓尺寸差異同樣會(huì)導(dǎo)致成本差異，而NIR系統(tǒng)可以使用VCSEL，并且現(xiàn)成的供應(yīng)商更多，這一事實(shí)亦可降低集成成本。

綜合以上因素，市場調(diào)查公司IHS Markit進(jìn)行的一項(xiàng)分析調(diào)查（Amsrud，2019）顯示，使用相同類型的組件（傳感器或激光器）時(shí)，SWIR系統(tǒng)的成本比NIR系統(tǒng)高10～100倍。2019年，NIR系統(tǒng)傳感器和激光器的平均組件總成本估計(jì)為4～20美元/信道，到2025年將降至2～10美元/信道。相比之下，2019年，SWIR系統(tǒng)傳感器和激光器的平均組件總成本估計(jì)為275美元/信道，到2025年將降至155美元/信道?？紤]到LiDAR系統(tǒng)包含多個(gè)信道，即使使用1D掃描方法，這也會(huì)是1個(gè)巨大的成本差異，因?yàn)槿孕枰褂脝吸c(diǎn)信道的垂直陣列（如表3）。

LiDAR市場動(dòng)態(tài)也不利于SWIR陣營。自動(dòng)駕駛市場并未像五年前市場預(yù)期的那樣迅速發(fā)展，而必須使用LiDAR的Level 4（4級(jí)）和Level 5（5級(jí)）自主性系統(tǒng)也還需要幾年才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模部署。同時(shí)，利用LiDAR的工業(yè)和機(jī)器人市場對成本更加敏感，并且SWIR系統(tǒng)的超高性能優(yōu)勢并非不可或缺，這些系統(tǒng)制造商沒有辦法像通常所說的那樣通過增加產(chǎn)量來降低組件成本。產(chǎn)量增加時(shí)可實(shí)現(xiàn)成本降低，但實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)需要降低成本，這其實(shí)就是“先有雞還是先有蛋”的問題。

7 結(jié)束語

在深入研究了這項(xiàng)技術(shù)以及NIR和SWIR系統(tǒng)之間的差異后，當(dāng)今絕大多數(shù)LiDAR系統(tǒng)使用NIR波長的原因就顯而易見。雖然，對未來的展望并不是百分百確定的，但顯然，成本和可用性是生態(tài)系統(tǒng)供應(yīng)商的關(guān)鍵考慮因素，由于CMOS硅的技術(shù)優(yōu)勢和規(guī)模經(jīng)濟(jì)，NIR系統(tǒng)無疑更具經(jīng)濟(jì)效益。雖然SWIR支持遠(yuǎn)程LiDAR系統(tǒng)，但基于NIR的LiDAR也可以滿足汽車遠(yuǎn)程測距需求，同時(shí)在ADAS和AD應(yīng)用所需的短程到中程配置中也表現(xiàn)出色。目前，基于NIR的LiDAR已經(jīng)在汽車市場中實(shí)現(xiàn)了大批量生產(chǎn)，這表明該技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化并通過了市場檢驗(yàn)，但整合仍需時(shí)日，且無論輸贏，都需要經(jīng)歷動(dòng)蕩和調(diào)整。20世紀(jì)之交的汽車行業(yè)有30家不同的制造商，隨后10年增加至近500家，但僅僅數(shù)年之后，大多數(shù)制造商已經(jīng)銷聲匿跡。預(yù)計(jì)到2030年，LiDAR制造商也會(huì)經(jīng)歷類似的發(fā)展歷程。

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