固態(tài)激光雷達在2018為什么沒有火

固態(tài)激光雷達一直被視為自動駕駛和ADAS行業(yè)的皇冠明珠，憑借其低成本、高可靠性和高分辨率的特點，一直被業(yè)界寄予了厚望。固態(tài)雷達真正優(yōu)勢在哪里？市面上的固態(tài)激光雷達公司面臨的挑戰(zhàn)都有哪些？禾賽新發(fā)布的第三代固態(tài)雷達PandarGT 3.0可否解決這些難題？本文將逐一給出答案。

遲遲沒有出現(xiàn)的固態(tài)激光雷達元年

激光雷達行業(yè)有個怪現(xiàn)象 —— 每年CES，都會有人會煞有介事地說，機械雷達要被淘汰，明年會是固態(tài)激光雷達的元年！一年又一年，固態(tài)雷達公司的PPT更新了一版又一版，承諾的next month的交貨期明日復(fù)明日，時不時還冒出哪家初創(chuàng)固態(tài)公司巨額融資的新聞?！澳繕顺杀?0美元！” —— 一副馬上要改變世界的興奮。

而現(xiàn)實呢，Waymo頭頂上還是頂著一臺高線數(shù)的機械雷達。世界各地陸續(xù)投入商業(yè)化運營的載人載貨無人車，無一例外地選擇了機械雷達。禾賽穩(wěn)定可靠的機械雷達銷量不僅沒有受到固態(tài)雷達的影響，反而在2018年實現(xiàn)了業(yè)績數(shù)倍的增長。

Lyft無人車搭載禾賽激光雷達

Nuro無人送貨車搭載禾賽激光雷達

什么是固態(tài)激光雷達

激光雷達（LiDAR）是用激光來進行三維掃描的傳感器，被廣泛應(yīng)用于無人車和機器人的各個領(lǐng)域，通常是一輛無人車上最貴也是最重要的傳感器，售價高達數(shù)萬美元。

固態(tài)激光雷達（Solid-State LiDAR）理論上是完全沒有移動部件的激光雷達。典型技術(shù)路線如光相控陣（Optical Phased Array）和Flash，被認為是純固態(tài)的方案。

近年來，業(yè)界也會籠統(tǒng)地把非完全旋轉(zhuǎn)的激光雷達統(tǒng)稱為“固態(tài)”。這些技術(shù)方案往往會有一些微小的移動部件，嚴格意義不能算固態(tài)，但它們同時又具備了固態(tài)雷達性能上的很多特點，如分辨率高、有限水平FOV（前向而不是360°）等，因此在討論的時候被大家統(tǒng)稱為“固態(tài)雷達”。

固態(tài)雷達核心優(yōu)勢和面臨的挑戰(zhàn)

分辨率高

固態(tài)雷達最明顯的優(yōu)勢是超高的分辨率。相比于機械雷達固定的垂直角分辨率（Velodyne 128線雷達是0.11°），固態(tài)雷達由于采用了連續(xù)掃描的方式，其垂直和水平角分辨率在低幀率（比如5Hz）下可以做到0.03°，生成“圖像級”的效果，是機械雷達無法比擬的。

Hesai PandarGT 3.0實測點云圖（最近距離20cm）

裝調(diào)效率高（易量產(chǎn)）

傳統(tǒng)機械雷達中，40線對應(yīng)40個發(fā)射和接收裝置。在線數(shù)增加過程中，裝調(diào)時間會顯著增加。相比之下，常見固態(tài)雷達的技術(shù)方案只包含一個（或者幾個）激光發(fā)射器和接收器，因此可以大幅降低其裝調(diào)工藝中對不同線校準所產(chǎn)生的工作量，提高生產(chǎn)效率。

除了這兩點，固態(tài)雷達其他本應(yīng)該有的特性（測距遠、可靠性強和成本低），現(xiàn)有市面上所有的固態(tài)雷達產(chǎn)品都很難同時滿足，這就決定了這些固態(tài)雷達方案在短時間內(nèi)很難被產(chǎn)品化。幾乎所有的固態(tài)雷達公司的交貨日期都在不斷延期就不足為怪了。

那么，固態(tài)雷達還必須具備哪些特性，這些特性有可能被實現(xiàn)么？

測距遠

Flash鑒于其全向發(fā)光的物理極限，測距只能不超過50m，暫且不提。其他固態(tài)激光雷達最核心的元器件是光學(xué)轉(zhuǎn)向機構(gòu)，而這些轉(zhuǎn)向機構(gòu)往往由于元器件成熟度所限，無法做到足夠高的光學(xué)效率。相比機械雷達成熟的測遠性能（近日禾賽官宣的Pandar40P做到了驚人的200m@10%反射率，幾乎已經(jīng)是機械雷達的物理極限），根據(jù)最新的公開信息，市面上多數(shù)固態(tài)雷達的測遠性能還在30-65m@10%掙扎。這一定程度上解釋了很多固態(tài)雷達公司喜歡在室內(nèi)做Demo的原因，30m@10%的產(chǎn)品在封閉的室內(nèi)做Demo效果可以很好，但測遠距的問題一上路就會暴露出來。

Hesai Pandar40P實測點云鳥瞰圖

這就帶來另外一個悖論，一個只能測30m的固態(tài)雷達，還有必要做那么高分辨率么？固態(tài)雷達分辨率高最大的價值是遠距。在200m處，32線的機械雷達線垂直間距為1.2m，固態(tài)雷達可以縮小為0.1m，讓200m外的行人掃到的線數(shù)，可以從2線提高到15線。相反，30m范圍內(nèi)，32線的點密度已經(jīng)足夠，固態(tài)就會顯得殺雞用牛刀。

可靠性強（易過車規(guī)）

“固態(tài)雷達沒有旋轉(zhuǎn)部件，容易過車規(guī)。”這句話被重復(fù)了一百遍，仿佛就變成了真理。然而，它卻是一個無法被證明的猜想。全世界迄今唯一過車規(guī)的激光雷達，是Valeo的一款機械旋轉(zhuǎn)的雷達。汽車上旋轉(zhuǎn)部件有上百個，并沒有阻礙它們過車規(guī)。

相反，固態(tài)雷達的掃描器器件往往是一個不成熟的全新的零件，會面臨更多的量產(chǎn)工藝和可靠性的問題，在成熟的供應(yīng)商出現(xiàn)之前，這個核心部件可靠性的問題是很多固態(tài)雷達公司一道無法逾越的鴻溝?！安环€(wěn)定”，“無法量產(chǎn)”是過去兩三年里固態(tài)雷達公司的普遍狀態(tài)。Demo可以很美好，但是想要把一個全新的設(shè)計做到和傳統(tǒng)雷達一樣穩(wěn)定可靠，是非常有挑戰(zhàn)的事情。

成本低

固態(tài)雷達得益于簡單的結(jié)構(gòu)和較少的元器件數(shù)量，成本會有所降低。然而，鑒于很多固態(tài)雷達公司為了提高性能，選用了昂貴的激光器（數(shù)千美元的光纖激光器）或者昂貴的掃描機構(gòu)，反而導(dǎo)致整套系統(tǒng)成本更高。加上固態(tài)雷達無法獨立完成360°掃描，多個雷達的拼接也會進一步增加系統(tǒng)成本。

禾賽：第三代固態(tài)雷達PandarGT 3.0

PandarGT 3.0實物圖

（H×L×W：96mm×113mm×126mm）

自2017年12月發(fā)布PandarGT（GT = GuTai）以來，禾賽團隊經(jīng)歷了一年多的潛心迭代，終于在2019年初交出了一份滿意的答卷——PandarGT 3.0.這其中數(shù)不清的失敗的嘗試和彎路自不必說?？匆欢瓮暾穆窚y視頻：

Hesai PandarGT 3.0實測視頻合集（3min）

Hesai PandarGT 3.0實測點云 （世博園）

Hesai PandarGT 3.0實測點云

（世博園，頂視圖）

簡單總結(jié)，我們做對了兩件重要的事情。

一、自研的高速振鏡系統(tǒng)

秉承禾賽“研發(fā)一代、部署一代、推廣一代”的產(chǎn)品體系，在禾賽剛開發(fā)機械激光雷達產(chǎn)品的初期，即開始了對微振鏡器件的研發(fā)設(shè)計，歷經(jīng)數(shù)十次的工藝迭代和振鏡結(jié)構(gòu)及驅(qū)動和角反饋系統(tǒng)設(shè)計，終于打磨出了一款顯著提升光學(xué)性能的微振鏡，可以在-40℃到120℃長期使用，且抗沖擊性強，其溫度適用范圍遠優(yōu)于市場上的同類產(chǎn)品，為微振鏡固態(tài)激光雷達實現(xiàn)車規(guī)化提供了重要保障。

PandarGT 3.0振鏡在120℃恒溫下長期測試

PandarGT 3.0振鏡及市場上相似產(chǎn)品溫度使用范圍

這款振鏡不僅擁有超高的光學(xué)接收效率以增強測距能力，其震動頻率可實現(xiàn)1500線/s的掃描能力，使GT 3.0在5Hz和10Hz工作模式下分別為300線和150線，即使是150m外的行人，依然可以有效感知。

PandarGT 3.0 行人走遠（20m-150m）探測效果

二、自研的光纖激光器

為了實現(xiàn)300m@10%的測距能力，GT 3.0采用1550nm光纖激光器作為光源，該波段人眼安全閾值遠高于905nm激光器，因而更適用于遠距離探測。但因為光纖激光器使用溫度范圍有限且體積較大，目前市場上同類產(chǎn)品通常采用光纖激光器和激光雷達探測單元分離的方法來解決這個問題，將光纖激光器置于車內(nèi)溫度較低的地方。

這種方式，存在以下幾個弊端：

會增大激光雷達的整體體積

連接探測單元和光纖激光器模組的光纖和信號線需要穿過汽車車體走很長的路徑，極大地增加布線復(fù)雜度和惡化信號完整性

分體式的光纖接頭極易受到空氣灰塵的影響而毫無預(yù)警地損壞激光器

市場上現(xiàn)有采用光纖激光器作為光源的

激光雷達產(chǎn)品示意圖

為了解決這些問題，禾賽自主研發(fā)了光纖激光器及其控制模塊，其體積遠小于同類型的光纖激光器，使用溫度范圍達到了-40℃到110℃，滿足車用環(huán)境的溫度要求。除此之外，這款自研的光纖激光器的量產(chǎn)成本在百美金量級，遠低于同類產(chǎn)品的市場零售價。

禾賽自研光纖激光器對比同類產(chǎn)品

禾賽自主研發(fā)的光纖激光器及其驅(qū)動模塊（最高平均功率2.4W，脈沖頻率1MHz, 脈寬1ns），為市場上平均功率超過2W的體積最小光纖激光器之一。

PandarGT 3.0 150m處車流探測效果

為自動駕駛量身定做的功能

一、FOV動態(tài)可調(diào)

GT 3.0是一款具有動態(tài)調(diào)整功能的智能激光雷達，其垂直FOV可以實現(xiàn)5°到20°動態(tài)可調(diào)，以適應(yīng)Local和高速兩種不同場景。除此之外，線數(shù)分布具有均勻分布和中心加密兩種模式，在加密模式下，中心處可以實現(xiàn)0.035°（5Hz刷新率下）和0.07°（10Hz刷新率下）的垂直視場分辨率。除此之外，垂直視場的FOV還能實現(xiàn)±5°的整體偏置，用于更細微地去探測上方或者下方的目標物。

PandarGT FOV可調(diào)示意動畫

PandarGT FOV動態(tài)可調(diào)點云

二、抗干擾能力

GT 3.0延續(xù)了Pandar40P的抗干擾技術(shù)，在多臺激光雷達同時工作的狀態(tài)下，不會受到其他激光雷達的干擾，相關(guān)介紹參見「核武器升級！禾賽Pandar40P的幾個殺手功能」。

CES室外現(xiàn)場Demo

2019年CES是禾賽歷史上第一次參展，我們將會在North Hall的室內(nèi)展廳和Platinum Lot的室外場地同時展出我們的Pandar64/PandarGT 3.0兩款產(chǎn)品。PandarGT 3.0將會在室外的自動駕駛專區(qū)Live現(xiàn)場展出。現(xiàn)場將會實時展示PandarGT 3.0的測遠能力、分辨率、FOV動態(tài)調(diào)整功能以及諸多新的雷達特性，歡迎自動駕駛行業(yè)的專家預(yù)約洽談合作（官網(wǎng)可以預(yù)約時間www.hesaitech.com）。

寫到最后，我想說，2019，一定是固態(tài)激光雷達的元年