讓馬斯克憂心忡忡之激光雷達第一股的隱憂

時間：2023-01-13 23:25:05

關(guān)鍵字：固態(tài)激光雷達特斯拉固態(tài)MEMS

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[導讀]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(zhuǎn)鏡，頂多是個半固態(tài)。

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(jīng)過量產(chǎn)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(zhuǎn)鏡，頂多是個半固態(tài)。

媒體的誤導

Luminar招股書：唯一可量產(chǎn)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(shù)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(yīng)用的低成本新型相干光（coherent light）激光雷達系統(tǒng)，2017年又獲5000萬美元B輪融資。

Oryx的大多數(shù)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(tǒng)激光雷達的量產(chǎn)戰(zhàn)爭開始不久，Oryx卻已無以為繼，2019年8月宣布關(guān)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(tǒng)治自動駕駛業(yè)務(wù)，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(guān)門結(jié)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(jīng)濟性所需的可擴展性。技術(shù)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(chǎn)產(chǎn)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(guān)重要，毫不夸張，有成千上萬種獨特方法構(gòu)建一個激光雷達傳感器，其中數(shù)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(shù)獨一無二，但最終卻在從研發(fā)到汽車量產(chǎn)的過程中應(yīng)聲倒下。

激光雷達成功的技術(shù)要素有哪些？

這些因素是Luminar產(chǎn)品總監(jiān)Matt Weed博士列舉的。他指出，設(shè)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(guān)重要的要求。

至關(guān)重要的要求

波長

激光雷達工作波長決定了關(guān)鍵光電元件的半導體材料。波長對核心傳感器的設(shè)計和生產(chǎn)至關(guān)重要，代表了安全性和易用性之間的權(quán)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(wǎng)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(shè)備計算出所經(jīng)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(zhì)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(xiàn)低功耗的高測量率測量，立即了解反射率，且沒有速度相關(guān)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(shù)在高速汽車非受控和安全關(guān)鍵應(yīng)用中，干擾敏感性和時延都不可接受。

③調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）

FMCW可有效地將傳輸?shù)墓饽軅鞑コ蛇B續(xù)（非脈沖）信號，當需要每秒100萬次左右的測量來實現(xiàn)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(zhì)量（如角指向精度）與測距數(shù)據(jù)質(zhì)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(gòu)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(xiàn)更高的點密度，實際上忽略了大部分道路。這種架構(gòu)在不受控環(huán)境會出現(xiàn)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(chǎn)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(qū)使用的旋轉(zhuǎn)臺一維掃描架構(gòu)，需要在成本與性能之間取舍，這就削弱了供應(yīng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)驅(qū)動微型掃描鏡，掃描部分容易出現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)。雖然這些器件是真正的固態(tài)掃描，但其效率很低（系統(tǒng)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(xiàn)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(zhì)量越小魯棒性越好，為滿足苛刻的汽車要求，低質(zhì)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(qū)動微鏡是當今最小、質(zhì)量最輕的掃描鏡——作者）

在科技領(lǐng)域，技術(shù)是死的，人是活的，何況還有技術(shù)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(shù)路線正在逐漸向數(shù)字化發(fā)展，雖然會花一些時間，但結(jié)果通常都一樣：傳統(tǒng)產(chǎn)品創(chuàng)造市場，數(shù)字化產(chǎn)品最終將主導市場。”

5月中旬，美國初創(chuàng)公司Ouster宣布，國內(nèi)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(chǎn)OS1激光雷達。另外，新產(chǎn)品ES2首批樣品將于2022年交付，計劃于2024年量產(chǎn)，車規(guī)量產(chǎn)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(jīng)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(shù)字架構(gòu)，是為市場上第一款全固態(tài)、高分辨率、長距離數(shù)字激光雷達，探測距離超過200m。

首款全固態(tài)數(shù)字激光雷達

Ouster CEO兼聯(lián)合創(chuàng)始人Angus Pacala說：“為什么說數(shù)字激光雷達是未來？2015年公司成立，就是為了設(shè)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(shù)字激光雷達技術(shù)的初衷。”

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(xiàn)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(shù)字激光雷達的性能在未來很多年內(nèi)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(shù)字探測器陣列匹配，每秒能夠計數(shù)萬億個單光子。因此，ES2不需要任何移動部件就可以實現(xiàn)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(shù)與OS系列旋轉(zhuǎn)式激光雷達相同，也與iPhone和iPad Pro等消費類設(shè)備一致。

看看ES2的一些特性：

極簡的架構(gòu)：不同于傳統(tǒng)激光雷達內(nèi)部有上千個零部件，專為長、中、短距應(yīng)用設(shè)計的Ouster數(shù)字激光雷達內(nèi)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(chǎn)設(shè)計：ES2與OS系列激光雷達共享86%的零部件，降低了技術(shù)和生產(chǎn)風險，有助于實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

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(xiàn)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(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)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(chǎn)一致性：ES2和OS系列所使用的數(shù)字部件均來自消費電子設(shè)備供應(yīng)鏈，兩類產(chǎn)品生產(chǎn)線一致，這也是其獨有優(yōu)勢之一。原有OS系列旋轉(zhuǎn)式激光雷達的制造、校準和驗證均已實現(xiàn)規(guī)?；\行，ES2將直接在Ouster海外制造工廠中一條已運行量產(chǎn)線上生產(chǎn)。

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(shù)商業(yè)化創(chuàng)新公司Open Photonics，現(xiàn)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(shè)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(shè)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(yīng)商。

2019年

-7月，Luminar推出新款ADAS激光雷達Iris，又融資1億美元，總?cè)谫Y額達2.5億美元。新融資來自11個現(xiàn)有投資者。

2020年

-1月，推出專為高速公路設(shè)計的新款激光雷達Hydra，它可探測80m范圍內(nèi)道路、150m范圍內(nèi)車道及250m范圍內(nèi)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(shè)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(wù)，合作伙伴可以租賃Hydra激光雷達系統(tǒng)。Hydra租用價格取決于每輛汽車和每種應(yīng)用所需傳感器數(shù)量（還沒有量產(chǎn)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(yīng)協(xié)議，后者將在其2022年上市的汽車自動駕駛系統(tǒng)中使用這些傳感器。這是Luminar第一份大批量供貨協(xié)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(shù)股權(quán)，以支持其自動駕駛卡車開發(fā)?？ㄜ囀褂萌齻€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(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)的R品牌純電動車ES33提供激光雷達傳感器及相應(yīng)軟件系統(tǒng)。

上汽R品牌搭載車頂激光雷達

-4月，特斯拉法務(wù)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(lián)合發(fā)布一體式自動駕駛傳感系統(tǒng)，搭載Iris系列激光雷達，實現(xiàn)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(tǒng)量產(chǎn)。

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(jīng)和超過50家車企、自動駕駛公司及相關(guān)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(jīng)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(chǎn)品亦然?？梢钥隙ǖ氖牵谄渥杂挟a(chǎn)品Iris真正大規(guī)模量產(chǎn)前，虧損局面無法好轉(zhuǎn)。

Luminar哪里與眾不同？

能夠吸引這么多資本大佬，Luminar的技術(shù)肯定與主流方案不同，其核心產(chǎn)品有二：Iris激光雷達和自動駕駛軟件方案Sentinel。前者的技術(shù)創(chuàng)新體現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)大功率。（國內(nèi)大部分廠商都是905nm產(chǎn)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(shè)計的ASIC可以實現(xiàn)更好的光子效率和動態(tài)范圍，使接收器成本從數(shù)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(shù)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(shù)路線，并從芯片級開始構(gòu)建獨特架構(gòu)，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(chǎn)的產(chǎn)品？——作者）

Luminar激光雷達指標很簡單

通過分析常見架構(gòu)的缺陷，Luminar的自動駕駛軟件方案Sentinel構(gòu)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(jīng)濟要求，為客戶提供激光雷達硬件和相關(guān)軟件，既保證不妨礙實現(xiàn)強健的安全性，又有助于實現(xiàn)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(chǎn)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(zhuǎn)鏡），僅掃描激光而非整個激光雷達轉(zhuǎn)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(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，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(diào)制激光，系統(tǒng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米級，是一種獨立的智能系統(tǒng)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(shù)，可它又使用了掃描鏡，是不是那種傳統(tǒng)的光學掃描鏡呢？如果是，體積質(zhì)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(shè)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(shè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(xiàn)：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(zhuǎn)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？