【激光雷达系列报道三】决胜下半场:固态纯芯片方案之路如何走通?

来源:爱集微 #固态激光雷达# #ToF# #FMCW#
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(文/杜莎) 2022年,激光雷达“井喷式”上车,且国内厂商在这一赛道“抢跑”成功,但一时领先并不意味着一定能率先冲线。

硬科技早期投资机构中科创星创始合伙人米磊对集微网表示:“中国在制造业上有很好的基础,且在人工成本上有显著优势。国内的激光雷达供应商抓住机会快速崛起,抢占了一定的先机。而进入到纯固态激光雷达的阶段,或许国内外供应商将在技术上展开更深入的较量。”

现阶段,车载激光雷达多种技术“百花齐放”,密集上车的半固态方案只被视为是“过渡方案”,至于终极方案上,固态激光雷达是“众望所归”,且业界正在探索“深度集成化芯片架构”这一条振奋人心的路,一如在感知层面已发展多年的摄像头、毫米波雷达等传感器最终都以纯芯片的方案前装上车,他们相信激光雷达也会遵循这个第一性原理,当然这也是更符合“车规+量产+成本+安全”的路径。

图源:速腾聚创

固态测距有限?从探测层面突破是“正解”

可以说,固态激光雷达的“未来已来”。去年,禾赛、速腾、亮道等相继发布纯固态补盲激光雷达新品或新进展,且预计最早2023年下半年就能进入量产。

与大陆集团以及Ibeo量产的固态方案类似,禾赛、速腾、亮道的固态补盲方案也几乎沿用Flash纯固态VCSEL+SPAD架构,且能借助成熟的标准CMOS工艺快速实现规模量产,持续降本,另外集成度高,尺寸小,可与车身融为一体,提升整车的美观性。

图源:禾赛

但美中不足的是,探测距离十分有限,在30m左右,因此现主要用于侧向补盲雷达。未来,固态激光雷达要作为前向雷达,测距瓶颈还有待突破。

追根溯源,飞芯电子CEO雷述宇认为探测不够远有两大根本的原因。

一方面,传统Flash方式脱胎于CMOS传感器,但CMOS传感器跟激光雷达有本质的区别:CMOS传感器不在乎接收的光源,只希望接收的光越多越好,灵敏度就会越高;但激光雷达有一个强烈的诉求,想要接收的是自身发射打到物体反射回来的光,而事实上,传统Flash方式没有信号区分的能力,所有的光都要接收,但在物体比较远的情况下,有效功率在总功率中占比极低,传感器就会被“非我”信号占用,显而易见灵敏度会大大受限,并影响到测量距离的能力。

另一方面,Flash是一个成像的方案,由于成像要同时测近和测远,而激光雷达自身发光的信号与距离平方成反比,如果传感器没有足够大的动态范围,近端物体饱和了,从远端物体收来的能量却还不足以读出电路噪声,也会限制激光雷达测远的能力。

这也反映出,现有固态激光雷达测距有限的根源在Flash扫描方式的原理中。因此,雷述宇指出,必须要进行原理性的突破,换一个方向切入,即从探测机理层面去解决测距不够远的问题,实现接收阵列芯片尽可能在多个干扰光中接收到其所需要的光,而非接收所有的光,并形成有效探测。

同样坚定看好从探测方面寻找出路的还有洛微科技。“早前,业界有几家企业在做全固态激光雷达扫描方案,在技术研发、降本、量产等方面确实走在了最前沿。但也碰到不同的问题,包括产业链不完善、技术过早、测距有限等,经过这几年的发展,业内逐渐意识到,第一步真正需要解决的并不是扫描的问题,而是探测的问题。”洛微科技CEO冯宁宁告诉集微网。

那么,从探测入手,固态纯芯片方案之路又该如何走呢?

路线尚无定论?Flash与OPA,ToF与FMCW各有选择

从探测机理深入解决问题或是正解,但具体到采用何种探测方式也还没有统一路线。

在固态技术的大方向下,Flash和OPA的扫描方式各有利弊。全固态Flash系统发射面阵光,一次性成像、系统简洁、可靠性更高,更易达到车规标准,但如上文提及其很难区分其他激光雷达的信号。OPA是能实现一种无任何机械(含MEMS)元件的光束扫描,优点是扫描速度快、易于控制视场角,但其在芯片材料、光源选择、制造工艺等方面也存在难点。

而ToF和FMCW的测距方式也各有优劣。

目前,市面上的固态激光雷达多数采用ToF(飞行时间)方式测距。ToF的技术发展多年、比较成熟,且对应激光器以905nm为主,近外红激光器体系,采用GaAs材料,产业十分成熟,成本已经很低,但容易受到激光信号干扰,且接近可见光光谱,人眼的视网膜对其更敏感,考虑到人眼安全,其最大激光功率受到限制,当然探测距离存在瓶颈。

FMCW则是通过发射频率调制的连续波,并接收目标物反射信号的方式,对于目标物体进行距离探测,这个过程会用到多普勒效应,进而还可以直接测量目标物的精确速度。在车载应用方面,为了满足其对点频和距离的需求,必须使用多通道的解决方案,系统由此变得非常复杂。此外,与FMCW搭配的通常是基于1550nm波段的激光器,可以把光功率做得很高,探测距离自然更远,但1550nm激光器使用的材料不是硅基,而是化合物半导体材料InGaAs,还需要外部电源和复杂的电子控制装置,成本方面具有非常大的挑战。

目前车载激光雷达尚处于发展初期,固态里选哪个方案尚无定论,如何选择还是取决于公司对市场的理解,以及自身的技术积淀。

雷述宇曾在红外探测器芯片领域深耕超过10年,在充分考虑生产端的成熟度、市场需求,以及技术可行性后确定走Flash+ ToF的技术路线。而这一技术路线上车最难解决的问题上文也有所提及,即如何解决雷达间的强干扰问题。

雷述宇指出:“现在布局全固态激光雷达的企业不少,但关键在于原理性没有突破,只相当于对传统的CMOS传感器做了一些改进而形成ToF,但这不能满足车载Flash的要求。因此,我们要设计具有强抗干扰能力的Flash方式的芯片,这充分考验一个团队的积累和设计能力,因为它没有借鉴,不像其他芯片有国际方案作为参考。”

如今,飞芯电子团队在探测机理层面解决了传统全固态Flash的抗干扰难及测距短等问题:用独有专利实现了一种基于伪随机序列的Flash体制长距离、抗干扰激光雷达技术。且雷述宇认为越简洁的系统才能越可靠,飞芯的类摄像头的激光雷达,不需扫描,系统只用5个组件,即3个电学芯片:发射端的激光驱动芯片、激光器芯片、接收探测阵列芯片,2个光学组件:收、发两套光学组件。目前,飞芯电子的车载产品已进入客户试样阶段。

洛微科技团队则因具备15年以上的硅光芯片研发和产品化经验,以及全栈的光电产品开发经验积累,因此选择了OPA+FMCW技术。但如上所言,该方案落地难度不小。洛微科技另辟蹊径,从擅长的硅光平台入手来解决成本、可制造性和可靠性等问题。

冯宁宁表示:“对于激光雷达这样一个光电系统来说,芯片是最大成本,所以需要一定的‘第一性原理思考’,开始就要全盘考虑芯片的材料、工艺和尺寸。因此,我们选择采用硅光技术,使用生态成熟的硅基材料和CMOS工艺体系。同时,整个系统也应越简单越好,而系统的简化需要芯片的集成度越高越好,而对于光电系统,只有硅光的平台可以提供如此高和复杂的集成度,这就是我们方案选择的基本逻辑。”今年,洛微科技的硅光FMCW 4D激光雷达 F系列也将正式给客户送样。

难被“卡脖子”?产业链成熟下技术迭代是关键

备受业内关注的是,这一固态激光雷达产业链中是否有“卡脖子”的环节?

可以看出,在纯固态方案上,飞芯电子和洛微科技都选择采用类摄像头的成熟产业链,供应链方面的困难可以减小。

在雷述宇看来,目前国内上游的代工厂商及下游的光电模组厂商都十分成熟和完备,唯一备受考验和挑战的就是芯片设计环节

冯宁宁也指出,洛微的产品方案很多设计比较接近摄像头,国内能提供车规级的摄像头模组的代工厂相对比较成熟,可以保证产品快速进入量产。

洛微的激光雷达产品中跟光相关的芯片不论是扫描还是测距的FMCW芯片都是自己设计,目前使用的CMOS工艺比较成熟,会暂时选择海外的代工厂,短期利用成熟的供应链来进行量产,长期来看也会考虑自主产线。”冯宁宁说。

当然,技术要真的实现大规模上车也不乏挑战。雷述宇认为,技术端未来如何获得更好的抗干扰或者说匹配滤波的能力,还需要不断地迭代;产业端,做新型的传感器一定要与代工厂有良好的合作,新型传感器并不能直接使用代工厂的标准工艺,很多方面需要代工厂使用更好的工艺设计,生产更好的器件来满足激光雷达芯片的基本要求;应用端需要和客户沟通他们到底需要什么,用什么的方案更能满足他们的需求,这样他们对新的方案也有更多的理解和宽容,这是市场培育的一个工作。

对于洛微科技而言,OPA+FMCW无疑是一条高壁垒且难走的路,但他们认为这是正确的路且坚定走下去。冯宁宁认为:“目前的硅光芯片方案是比较新的技术,在激光雷达领域芯片迭代还需要足够长的时间。除此之外,激光雷达本身也是一个比较复杂的系统,想做成一个完整符合车规要求,成本可控的产品,在工程上还有许多坑需要迈过去。可能还需要一两年,FMCW激光雷达才会达到符合车规量产化的程度。”

但上述受访厂商对固态激光雷达这一赛道的前景及国内供应商的发展充满期待,他们认为现在的半固态方案只是“过渡方案”,固态方案将在2025年左右落地,且在该领域国内外厂商的起跑线基本相同,并表示跟已经比较成熟的毫米波雷达产品相比,在中国产业链的研发速度和迭代速度助力下,在固态激光雷达这个新的领域上有信心超越国际上的其他对手。

图源:dubizzle

写在最后

产业界虽对固态激光雷达大方向已达成共识,但从芯片设计、制造成本到系统集成,落地应用仍面临不少挑战。当然,中国的供应商已在这些领域布局并有所成果。米磊指出,“激光雷达与芯片行业的发展情况类似,自20 世纪60年代发明以来,曾经昂贵、笨重的激光雷达,体积正不断缩小,价格也逐渐趋于稳定。”中国有广阔的市场机会,但还需要努力去把这些优势真正转化成为胜势。

责编: 张轶群
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