推動(dòng)汽車行業(yè)走向更遠(yuǎn)的未來

汽車功能電子化和先進(jìn)的安全/自動(dòng)駕駛是汽車領(lǐng)域的兩個(gè)主要大趨勢(shì)，也是“零事故之路”的核心。大多數(shù)事故是人為錯(cuò)誤造成的，融合的感知方案有助于使車輛“不出錯(cuò)”，對(duì)道路上可能出現(xiàn)的障礙性危險(xiǎn)事前警戒駕駛員，并主動(dòng)采取行動(dòng)，確保駕駛員在駕駛時(shí)不分心。

本期內(nèi)容，我們聚焦在新興的激光雷達(dá)（LiDAR），從它的技術(shù)原理探尋一下其被自動(dòng)駕駛青睞的原因，看看它有哪些其他傳感器不具備的特質(zhì)。再聽一聽來自安森美汽車戰(zhàn)略及業(yè)務(wù)拓展副總裁Joseph Notaro分享安森美(onsemi)對(duì)于未來汽車行業(yè)的預(yù)判以及正在努力的方向，希望能給我們的讀者帶來一些借鑒意義。

▲安森美汽車戰(zhàn)略及業(yè)務(wù)拓展副總裁Joseph Notaro

為什么要采用激光雷達(dá)（LiDAR）？

自動(dòng)駕駛在汽車行業(yè)內(nèi)已經(jīng)不算是一個(gè)新的話題，據(jù)悉，目前行業(yè)內(nèi)生產(chǎn)的車輛達(dá)到了SAE International規(guī)定的Level 2和Level 2 自動(dòng)駕駛的級(jí)別。要想實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛，還需要引入超聲波、雷達(dá)、激光雷達(dá)（LiDAR）和視覺四種關(guān)鍵的傳感技術(shù)，并拓寬其應(yīng)用范圍。

例如，全自動(dòng)駕駛汽車可能需要超過20個(gè)單獨(dú)的雷達(dá)系統(tǒng)，但根本問題在于，雷達(dá)空間分辨率的局限性使它仍得不到廣泛應(yīng)用。而在這方面，LiDAR能夠提供高分辨率的深度圖像，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過雷達(dá)。安全系統(tǒng)越來越受到重視，除了能夠知道物體的存在之外，還需要能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行分類和識(shí)別，這變得尤為重要。

雖然基于圖像傳感器的視覺系統(tǒng)可以借助傳感器套件提供最佳分辨率，但在夜間，由于缺少環(huán)境光，視覺系統(tǒng)將受到限制。相反，LiDAR系統(tǒng)能自產(chǎn)光源，因此受環(huán)境光條件的影響較小。此外，LiDAR本身還能提供深度信息，而基于圖像傳感器的視覺系統(tǒng)只能看到場(chǎng)景的 2D 視圖，雖可以根據(jù)立體配置間接計(jì)算深度，但會(huì)降低深度準(zhǔn)確性。因此，目前LiDAR裝車量不算高導(dǎo)致成本還比較高，但獨(dú)特的能力使其成為打造先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）體驗(yàn)的重要的一環(huán)。

在第十六屆上海國(guó)際汽車制造技術(shù)與裝備及材料展覽會(huì)（AMTS 2021）現(xiàn)場(chǎng)，位列全球前十大汽車行業(yè)半導(dǎo)體供應(yīng)商的安森美也帶來了其LiDAR方案。同時(shí)，其還展示了最新汽車級(jí)的硅光電倍增管（SiPM）的參考設(shè)計(jì)，RDM 1x16陣列實(shí)現(xiàn)了高性價(jià)比的長(zhǎng)距離LiDAR方案，在微光條件下即時(shí)、準(zhǔn)確地識(shí)別物體，將安全和自動(dòng)駕駛提升到新的水平。

SiPM是基于單光子雪崩二極管（SPAD）的探測(cè)器，及時(shí)反射率極低，也能使系統(tǒng)探測(cè)到最遠(yuǎn)的物體。SPAD陣列是飛行時(shí)間圖像傳感器，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的4D成像，同時(shí)捕獲場(chǎng)景中所有點(diǎn)的深度數(shù)據(jù)和強(qiáng)度。

多種傳感形式協(xié)同工作的傳感器模式為未來自動(dòng)駕駛賦能，LiDAR是實(shí)現(xiàn)L3-L5級(jí)自動(dòng)駕駛所需的傳感器模式融合的一個(gè)關(guān)鍵要素?！?strong>安森美處于傳感器技術(shù)及其他系統(tǒng)元件的前沿，這些技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)下一代LiDAR系統(tǒng)。我們的核心傳感器技術(shù)對(duì)單個(gè)光子敏感，同時(shí)還能在環(huán)境陽(yáng)光直射條件下工作。”安森美汽車戰(zhàn)略及業(yè)務(wù)拓展副總裁Joseph Notaro說道。

激光雷達(dá)的工作原理

顧名思義，LiDAR 使用光來探測(cè)距離。它用光源發(fā)出光線，觸及視線內(nèi)的物體而后反射，然后測(cè)量光線從發(fā)出到返回傳感器所用的時(shí)間——統(tǒng)稱為飛行時(shí)間（ToF），來探測(cè)障礙物的具體形狀。LiDAR可以在不同分辨率水平下探測(cè)大型物體，如粗略測(cè)量與障礙物之間的距離，或探測(cè)像人臉3D特征這樣精細(xì)的細(xì)節(jié)。

深度探測(cè)可以通過各種方式實(shí)現(xiàn)，而每種方式各具優(yōu)點(diǎn)。除了ToF之外，深度探測(cè)還使用兩個(gè)圖像傳感器來模擬立體視覺，使用結(jié)構(gòu)光來探測(cè)物體造成的變形，以及在像素級(jí)別進(jìn)行相位檢測(cè)（圖1）。

圖 1：測(cè)量深度感知的技術(shù)方法

關(guān)于ToF，所使用的技術(shù)有直接ToF（dToF）和間接ToF兩種。其中，dToF中的光源為脈沖式，模式中有明確的開/關(guān)時(shí)間，使接收器能夠探測(cè)到光源開啟到檢測(cè)到反射光的時(shí)間差；在間接ToF中，光源以正弦波的形式連續(xù)發(fā)射，通過測(cè)量光源和反射信號(hào)之間的相位差來計(jì)算距離。在這兩種情況下，無論是直接還是間接，都是借助光離開發(fā)射器后到達(dá)探測(cè)器所用的時(shí)間來提供距離數(shù)據(jù)。

單光子雪崩二極管（SPAD）因?yàn)榭梢蕴綔y(cè)到由單個(gè)光子組成的反射信號(hào)，性能更優(yōu)，同時(shí)也有助于擴(kuò)大 LiDAR系統(tǒng)的測(cè)距范圍，可以“看到”更遠(yuǎn)距離的低反射率物體。安森美通過開發(fā)SiPM進(jìn)一步完善該方法：SiPM集成了一個(gè)并聯(lián)獨(dú)立SPAD傳感器陣列，每個(gè)均采用二進(jìn)制開關(guān)式的工作方式。根據(jù)陣列總輸出，可以計(jì)算光信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度。此外，通過對(duì)SiPM陣列中的每個(gè)SPAD配備第三個(gè)電容耦合式端子，響應(yīng)速度得以提高。這種快速響應(yīng)輸出中會(huì)攜帶測(cè)量傳感器響應(yīng)時(shí)間所需的數(shù)據(jù)。

Joseph Notaro表示：

在市場(chǎng)上廣泛采用LiDAR的關(guān)鍵是以高產(chǎn)量大批量生產(chǎn)基于光電二極管傳感器的能力。

據(jù)悉，安森美開發(fā)的SiPM傳感器已針對(duì)NIR優(yōu)化，在905 nm波長(zhǎng)范圍具有高靈敏度，單光子增益達(dá)到106。經(jīng)過設(shè)計(jì)，它還能在相對(duì)較低的30V偏置電壓下運(yùn)行，由于其恢復(fù)時(shí)間快，還能提供出色的帶寬。

從技術(shù)角度而言，具備以上特點(diǎn)的SiPM適合汽車應(yīng)用，但它也需要在商業(yè)上可行。阻礙 LiDAR廣泛采用dToF的主要障礙之一就是價(jià)格，但這可以通過兩種方式解決。第一，采用互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝，傳感器陣列的單位成本得以優(yōu)化。第二，安森美開發(fā)了有效的制造工藝，可提升所生產(chǎn)傳感器的均勻度，使傳感器的成本效益得到提高。

走向更安全、更智能的未來駕駛

除了LiDAR相關(guān)的產(chǎn)品，在自動(dòng)駕駛方面，安森美還展示了AR0144AT駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)，采用一個(gè)100萬像素傳感器，對(duì)紅外（940納米）LED照明的高靈敏度進(jìn)行了優(yōu)化，并具有行業(yè)領(lǐng)先的快門效率，實(shí)現(xiàn)精確的眼睛/頭部跟蹤。它的小尺寸使其易于集成到儀表盤和信息娛樂系統(tǒng)中?！?strong>安森美是第一大汽車圖像傳感器供應(yīng)商，致力于不斷推動(dòng)這些傳感器具備領(lǐng)先業(yè)界的高動(dòng)態(tài)范圍、減少LED閃爍（LFM）和微光靈敏度。”Joseph Notaro表示。

對(duì)于無人駕駛的發(fā)展趨勢(shì)，Joseph Notaro直言這已經(jīng)不是完全自動(dòng)駕駛車輛將會(huì)何時(shí)部署的問題了，其已經(jīng)投入了使用，雖然有些還是有特定的條件，但可以從中看到，未來自動(dòng)駕駛已來。

Joseph Notaro表示：

不僅是出租車公司，運(yùn)輸車輛和商用車制造商也在部署自動(dòng)駕駛。支持 L4 / L5 級(jí)功能的技術(shù)已就緒，為了更廣泛地部署這些系統(tǒng)，我們需要建立信心，相信這些車輛可以在極端的角落情況下安全運(yùn)行。在這方面，安森美等公司需要繼續(xù)提高傳感器在所有條件下的性能以發(fā)揮作用。

自動(dòng)駕駛帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)之外，對(duì)于電動(dòng)汽車來說，里程焦慮也是其面臨的挑戰(zhàn)之一。碳化硅作為第三代半導(dǎo)體的材料之一，正在幫助制造商和消費(fèi)者緩解這種焦慮。首先，其低功耗的特點(diǎn)可以不浪費(fèi)電池中的能量，讓汽車駕駛更長(zhǎng)時(shí)間；此外，碳化硅還可優(yōu)化充電效率以實(shí)現(xiàn)快速充電，讓駕駛員可以在幾乎與傳統(tǒng)汽車加油相同的時(shí)間內(nèi)為電動(dòng)車充電。安森美致力于硅制造數(shù)十年，在將碳化硅以最佳性能和質(zhì)量、合適的成本大批量推向市場(chǎng)方面走在前列。

談及目前對(duì)整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)鏈都造成困擾的缺芯問題，Joseph Notaro直言，當(dāng)前的汽車供應(yīng)鏈模式已經(jīng)30多年沒有改變了。精益制造和準(zhǔn)時(shí)制生產(chǎn)方式在穩(wěn)定的市場(chǎng)條件下是高效的，但在市場(chǎng)顛覆期間表現(xiàn)出嚴(yán)重的局限性。汽車行業(yè)對(duì)新冠肺炎（COVID）引發(fā)的衰退反應(yīng)緩慢，由于庫(kù)存減少，半導(dǎo)體制造需要的時(shí)間也比較長(zhǎng)，當(dāng)整車廠商和Tier1開始對(duì)市場(chǎng)復(fù)蘇做出反應(yīng)時(shí)，要保證半導(dǎo)體需求已經(jīng)太晚了?！?strong>安森美正與汽車合作伙伴密切合作，實(shí)施創(chuàng)新的供應(yīng)鏈模式，讓我們能夠支持即將到來的汽車功能電子化和自動(dòng)駕駛革命。”