以下文章來源於(yu) 佐思汽車研究 ，作者佐思專(zhuan) 利研究組

　　華為(wei) 最近展出了針對自動駕駛的一係列傳(chuan) 感器，包括雙目攝像頭、毫米波雷達和激光雷達。這次我們(men) 首先解密華為(wei) 的激光雷達，下次是雙目攝像頭。

　　華為(wei) 的保密工作一向是業(ye) 內(nei) 最好的，因此別指望有太多公開資料，因此突破口還是選在專(zhuan) 利上。2020年7月2日，世界知識產(chan) 權組織國際局公布了華為(wei) 的一項有關(guan) 激光雷達的專(zhuan) 利，發明名稱為(wei) 一種激光雷達測量模組和激光雷達。這是華為(wei) 激光雷達領域覆蓋麵最廣的專(zhuan) 利，長達52頁，大多數中文發明專(zhuan) 利不超過20頁。華為(wei) 專(zhuan) 利申請詳細說明了激光雷達的原理和構造。很有可能就是華為(wei) 這款激光雷達2.0的詳細介紹。

　　在解密華為(wei) 激光雷達前先了解一下激光雷達信噪比的概念，任何傳(chuan) 感器，最重要的參數就是信噪比，非相幹激光雷達的信噪比SNR方程可以表示為(wei) ：

　　從(cong) 上麵公式可以看出，要提高信噪比，最簡單有效的方法是提高接收信號光功率和量子效率。激光雷達按光學掃描器目前可以分為(wei) 三大類，一類是旋轉型機械激光雷達，包括360度旋轉和反射鏡往複的Scala，是目前最常見最成熟的激光雷達。第二類是MEMS激光雷達。第三類是Flash激光雷達，Flash激光雷達實際是2D/3D焦平麵（FPA）攝像機，也就是手機和平板領域大量使用的ToF相機，兩(liang) 者完全一樣，隻是有效距離差很多。Flash激光雷達全半導體(ti) 構成，與(yu) 目前傳(chuan) 統攝像頭幾乎沒有差別，因此前途遠大，但近期內(nei) 落地較難，因為(wei) 目前VCSEL的效率和指向性，讓Flash激光雷達有效距離和分辨率都不及前兩(liang) 類，順便要說一下，前兩(liang) 類激光雷達輸出的是點雲(yun) ，Flash激光雷達輸出的是3D圖像，當然也可以輸出點雲(yun) 。目前高性能Flash激光雷達主要是IBEO和OUSTER。都對Beam做了調整，不是單一Beam而是Multi-Beam。

　　MEMS是目前最快落地的方案，和機械激光雷達相比，其優(you) 勢有三，首先MEMS微振鏡幫助激光雷達擺脫了笨重的馬達、多棱鏡等機械運動裝置，毫米級尺寸的微振鏡大大減少了激光雷達的尺寸，提高了可靠性。

　　英飛淩收購的Innoluce MEMS激光雷達示意圖

　　其次是成本，MEMS微振鏡的引入可以減少激光器和探測器數量，極大地降低成本。傳(chuan) 統的機械式激光雷達要實現多少線束，就需要多少組發射模塊與(yu) 接收模塊。而采用二維MEMS微振鏡，僅(jin) 需要一束激光光源，通過一麵MEMS微振鏡來反射激光器的光束，兩(liang) 者采用微秒級的頻率協同工作，通過探測器接收後達到對目標物體(ti) 進行3D掃描的目的。與(yu) 多組發射/接收芯片組的機械式激光雷達結構相比，MEMS激光雷達對激光器和探測器的數量需求明顯減少。從(cong) 成本角度分析，N線機械式激光雷達需要N組IC芯片組：跨阻放大器（TIA）、低噪聲放大器（LNA）、比較器（Comparator）、模數轉換器（ADC）等。如果采用進口的激光器（典型的如Excelitas的LD）和探測器（典型的如濱鬆的PD），1K數量下每線激光雷達的成本大約200美元，國產(chan) 如常用的長春光機所激光器價(jia) 格能低一些。MEMS理論上可以做到其1/16的成本。

　　最後是分辨率，MEMS振鏡可以精確控製偏轉角度，而不像機械激光雷達那樣隻能調整馬達轉速。像Velodyne的Velarray每秒單次回波點達200萬(wan) 個(ge) ，而Velodyne的128線激光雷達也不過240萬(wan) 個(ge) ，Velarray幾乎相當於(yu) 106線機械激光雷達。

　　那麽(me) MEMS的缺點是什麽(me) ？缺點就是信噪比和有效距離及FOV太窄。因為(wei) MEMS隻用一組發射激光和接收裝置，那麽(me) 信號光功率必定遠低於(yu) 機械激光雷達。同時 MEMS激光雷達接收端的收光孔徑非常小，遠低於(yu) 機械激光雷達，而光接收峰值功率與(yu) 接收器孔徑麵積成正比。導致功率進一步下降。這就意味著信噪比的降低，同時也意味著有效距離的縮短。掃描係統分辨率由鏡麵尺寸與(yu) 最大偏轉角度的乘積共同決(jue) 定，鏡麵尺寸與(yu) 偏轉角度是矛盾的，鏡麵尺寸越大，偏轉角度就越小。而鏡麵尺寸越大，分辨率就越高。最後MEMS振鏡的成本和尺寸也是正比，目前MEMS振鏡最大尺寸是Mirrorcle，可達7.5毫米，售價(jia) 高達1199美元。速騰投資的希景科技開發的MEMS微振鏡鏡麵直徑為(wei) 5mm，已經進入量產(chan) 階段；禾賽科技的PandarGT 3.0中用到的MEMS微振鏡則是由自研團隊提供。

　　解決(jue) 辦法主要有兩(liang) 種，一是使用1550納米發射波長的激光器，用光纖領域的摻鉺放大器進一步提升功率，1550 nm波段的激光，其人眼安全閾值遠高於(yu) 905nm激光。因此在安全範圍內(nei) 可以大幅度提高1550 nm光纖激光器的激光功率。典型例子就是沃爾沃和豐(feng) 田投資的Luminar。缺點是1550納米激光器價(jia) 格極其昂貴，且這是激光器產(chan) 業(ye) 的範疇，激光雷達廠家的技術遠不及激光器產(chan) 業(ye) 廠家，想壓低成本幾乎不可能，還有一個(ge) 缺點是1550納米對陽光比較敏感。不過1550納米附加一個(ge) 優(you) 點就是像毫米波雷達一樣全天候。二是使用SPAD或SiPM接收陣列，而不是傳(chuan) 統APD陣列，SPAD陣列效率比APD高大約10萬(wan) 倍，典型例子是豐(feng) 田中央研究院。但SPAD陣列目前還不算特別成熟，價(jia) 格也略高。

　　華為(wei) 要想快速切入激光雷達領域，自然也是選擇MEMS激光雷達，不過針對功率過低的缺點，華為(wei) 做了改進，也就是華為(wei) 專(zhuan) 利所說的，多線程微振鏡激光測量模組。

　　華為(wei) 采用機械激光雷達的做法，采用多個(ge) 發射和接收組件，而不是傳(chuan) 統MEMS激光雷達那樣隻有一個(ge) ，因為(wei) 華為(wei) 在光電領域產(chan) 業(ye) 龐大，規模效應突出，采購激光發射器和接收器的成本遠比傳(chuan) 統激光雷達要低。

　　華為(wei) 激光雷達光路圖

　　圖中畫出了三個(ge) 測距模組，分別是100a、100b、100c，每個(ge) 模組包括三個(ge) 元件，分別是激光發射器101B，分光鏡102a，接收器103a。104a為(wei) 出射光束，110為(wei) 反射鏡，105a為(wei) 回波光束，120為(wei) MEMS振鏡，微振鏡二維掃描擺動，實現光束140a（源自104a）的掃描。130為(wei) 處理電路。100a、100b、100c結構完全一致，分時發射激光束。華為(wei) 的等效100線，當然也不是100個(ge) 測距模組，那樣增加成本太多了，畢竟MEMS振鏡的垂直掃描密度要好控製的多。

　　華為(wei) 激光雷達立體(ti) 結構圖1

　　華為(wei) 激光雷達立體(ti) 結構2

　　華為(wei) 激光雷達立體(ti) 結構3

　　110反射鏡的出現，讓華為(wei) 激光雷達更緊湊，更加方便線路板布線。同時以120MEMS振鏡為(wei) 核心，兩(liang) 邊對稱放置測距模組。結構更加簡潔。160和170為(wei) 連接線纜，180為(wei) 透光外殼窗口。

　　華為(wei) 這種設計，當然成本和體(ti) 積肯定比傳(chuan) 統MEMS激光雷達大多了，但性能也增加了，特別是有效距離和FOV，通常激光雷達廠家在說明有效距離時不會(hui) 加上反射率，一般默認為(wei) 90%，這樣數字會(hui) 好看很多，而華為(wei) 特別點明反射率10%，反射率10%的情況下，即使短距離激光雷達都可達80米，傳(chuan) 統MEMS激光雷達通常隻有一半即40米。功率的增加讓MEMS振鏡尺寸可以縮小，FOV就可以大一點，華為(wei) 激光雷達的FOV也是業(ye) 內(nei) 最大的。振鏡越小，價(jia) 格也越低。華為(wei) 這種模塊式布局，可以快速出產(chan) 多種用途的激光雷達，適應不同的市場需求。

　　最有希望的Flash激光雷達，相信華為(wei) 也有布局，不過Flash激光雷達的關(guan) 鍵不在於(yu) 激光雷達廠家，而是ToF傳(chuan) 感器廠家，這些領域都是巨頭，索尼、OV、ST、東(dong) 芝、鬆下、安森美、英飛淩等。未來可能像攝像頭一樣，這些巨頭提供傳(chuan) 感器，激光雷達廠家做成模組，但這個(ge) 過程可能長達8-10年。這期間三種激光雷達可能長期共存。