深度解析:激光器与雷达如何打好配合?

近年来，激光雷达技术得到了广泛的关注和提及，但在实际应用中，其效果似乎尚未完全达到预期。虽然有些汽车已经配备了激光雷达，但其潜在的效用尚未得到充分发挥。在汽车领域，如何充分利用激光雷达为自动驾驶或辅助驾驶带来优势仍是一个挑战，产业还在摸着石头过河。

作为LiDAR 技术的领导者，艾迈斯欧司朗从实际应用出发，深入洞察激光雷达的场景需求。基于此，艾迈斯欧司朗提供了一系列针对性的激光器解决方案建议，旨在为客户提供最佳的激光雷达解决方案。

图1 激光雷达应用场景（图片来源：艾迈斯欧司朗）

1 激光雷达最原始的应用场景：测距

首先，明确激光雷达应用场景是最核心和最基本的一环。只有确定了适当的应用场景，我们才能确保激光雷达的劲儿该往何处使。那么，在自动驾驶技术的快速发展过程中，激光雷达的应用场景究竟应如何定义？“过去几年，众多激光雷达厂家都在拼性能、拼价格和拼各种技术参数，但实际应用场景定义仍然模糊不清。对此，我们尝试回归到激光雷达最基本的应用：测距，以此来对激光雷达进行进一步探讨。”艾迈斯欧司朗中国区激光雷达应用高级市场经理梁泽春指出。

在实际驾驶中，当遇到紧急情况需要进行紧急刹车时，激光雷达来测距主要考虑两个核心因素：1、反应时间：即驾驶员发现障碍物到真正开始刹车的时间间隔。这段时间内，车辆将继续前进，形成一个所谓的“反应距离”。2、刹车距离：即从驾驶员开始刹车到车辆完全停稳所需的距离。例如在车速为50km/h 时，可能需要40m 的刹车距离；而当车速达到130km/h 时，这一距离可能扩展至200m，如图1 的表格中所示。因此，根据这两大因素，激光雷达测距可区分长距离、远距离和中距离三大主要应用场景。

此外，分辨率也是决定雷达性能的关键因素之一，它决定了激光雷达能够检测到的物体的大小和清晰度。我们假设了三种基本场景：人的身高（约1.5m）、路标（约几十厘米高）以及较小的障碍物，如掉落的轮胎或矿泉水瓶。根据这些对象的高度，以及激光雷达的工作距离，就可以确定所需的角度分辨率。

图2 激光雷达在汽车应用中的场景（图片来源：艾迈斯欧司朗）

除了测距和分辨率，帧频也是一个考虑因素。由于帧与帧之间存在时间差，必须考虑这一时间差带来的测量偏差。

所以，一个好的激光雷达方案需要综合考虑测距、角度分辨率以及帧频等多种因素。

按照测距的方式来划分的话，又可以定义如下场景：交通拥堵辅助/ 自动驾驶，城市交通/ 自动驾驶、或高速辅助/ 自动驾驶、停车辅助、L4 以上的自动驾驶。这几种场景基本上覆盖了70％至80％的常见应用，为激光雷达的进一步应用指明了方向。

各种场景都有其特定的需求，这导致我们需要采纳不同的技术策略。梁泽春提到，图3 展示了艾迈斯欧司朗针对城市交通辅助和高级自动驾驶等激光雷达长距离应用提出的基准参考标准。

图3 激光雷达长距离使用案例（图片来源：艾迈斯欧司朗）

对于短距离应用，停车场景是一个明确且常见的参考点（见图4）。从中，我们可以看到其垂直视场角度与长距离应用截然不同。长距离的垂直角度为25°，短距离需要达到90°。而在水平方向，要实现充分的短距离覆盖，角度需至少为140°或150°。然而在短距离应用中城市驾驶的场景较为复杂，涉及多种速度和环境。目前，城市驾驶的NOA 标准仍在讨论中，大致上有两个建议：1、制定全新的规格，需要考虑到测距、角度等多方面因素，要求极高；2、结合短、长距离雷达，如采用一颗主雷达＋两颗辅雷达，或者其它如2 ＋ 2、2 ＋ 3、2 ＋ 4 的雷达组合方案。

图4 激光雷达短距离使用案例（图片来源：艾迈斯欧司朗）

2 雷达激光器技术发展分析

确定了激光雷达应用场景之后，让我们来看看激光器的发展情况。激光器技术主要有三种：边发射激光器（EEL）、垂直腔表面发射激光器（VCSEL），还有光纤激光器。

图5 三种激光器技术（图片来源：艾迈斯欧司朗）

这三种技术各有优缺点。

●   EEL：具有非常高的功率密度，达到60000W/ 每平方毫米，大约是VCSEL 的数十倍（图6），因此，其在光功率密度占据绝对优势，特别适用于远距应用。

●   VCSEL：VCSEL 的优势在于其垂直发射结构，以及其较小、圆形的光斑。这使得VCSEL 在某些需要特定光学结构的应用中具有优势。另外，相比边缘发射，VCSEL 的温度漂移问题相对较小，这意味着在变化的环境温度下，它可以提供更稳定的性能。VCSEL 在短距固态应用中有优势，但在中长距离应用中会有挑战。

●   光纤激光器：输出功率高、光束质量好、速度快，是高性能系统的理想选择。但其复杂性显著增加，而且成本以及过车规是挑战，市场接受度相对较窄。不是一个长期发展之选。

根据知名分析机构Yole 的报告，在雷达激光器方面，EEL 占据市场主导地位，VCSEL 也开始逐渐被应用。其他几种技术如FL 和FMCW 则相对份额较小。

图6 EEL和VCSEL两种技术的关键参数一览（图片来源：艾迈斯欧司朗）

图7 几种激光器的市场份额（数据来源：Yole LiDAR report Aug. 2022）

所以，EEL 和VCSEL 这两种主要的激光器技术正在全力赛跑，各大公司根据自身的雷达技术路线和策略，选择采纳不同的激光器技术，导致市场上出现了多种技术并存、竞相辉映的现象。

3 激光雷达与激光器如何适配？

激光雷达技术主要包括机械旋转式、MEMS 及Flash 雷达等多种技术路线。根据知名分析机构Yole 的报告，当前市场上主要采用机械旋转式激光雷达，占据较大的市场份额。尽管MEMS 雷达在市场份额上尚处于较小状态，但预期其在未来三年将会迅速增长。长远看来，Flash 雷达技术可能会成为主流。

从激光器的选择和适配当中来看，机械旋转雷达方案中目前是EEL 为主，有少量VCSEL 的方案。在MEMS 和棱镜式雷达中，也基本都是以EEL 为主。而在分区覆盖的1D、2D 的应用中，只有VCSEL 能做。在全覆盖固态雷达方面最大的挑战是长距的应用，目前看EEL 和VCSEL 都难以胜任。

图8 雷达技术市场份额发展趋势（数据来源：Yole LiDAR report Aug. 2022）

4 艾迈斯欧司朗：EEL与VCSEL技术的创新引领者

为了推动EEL 与VCSEL 激光器技术的应用发展，艾迈斯欧司朗正在从多个角度出手。

（一）EEL 激光器的技术提升方向

1、从单通道扩展到多通道，逐步向线光源和面光源发展。

2、继续提高光功率和效率，这是核心之争。通过芯片技术的革新带来的多结技术。其所带来的直观提升是，以前的功率为65 W 的设备，现在可以在相同的体积和驱动条件下，增加到100 W。同样地，原先120 W的设备现在有可能达到180 W 甚至200 W。

3、与VCSEL 不同，EEL 并不能通过增大面积来提高功率，但通过提升谐振腔的腔长，可以在相同的发光口径下增加其功率和功率密度。

4、减小出光口尺寸也是一个主要方向。原来的220 mm 的尺寸现在已经减少到110 mm，并有望进一步减小到60 mm 或50 mm。

关于温度漂移的问题，对艾迈斯欧司朗而言已不是难事。如图10 绿色线所示，艾迈斯欧司朗已将边发射激光器的技术做到，在-20℃ 到105℃ 的温度范围内的偏移空间从35 nm 减少到10 nm。首批客户反馈表明，减少30 nm 的波长偏移可以通过降低背景噪声（SNR1增加）使测量范围增加约40％。

（二）VCSEL 激光器的发展方向

功率密度是VCSEL 的一个短板。因此，技术研发团队一直在利用其天然的优势，特别是在寻址能力上，无论是1D 还是2D，其优势都十分明显。具体而言，为了提高VCSEL 的功率密度，一方面是通过提升结数，从三结、五结提升到六结到八结，甚至是更多；另一方面是提升填充因子。

5 艾迈斯欧司朗的车规级VCSEL产品路线

VCSEL 在短距离中的应用前景广阔，但在激光雷达市场，VCSEL 的高度定制化带来了巨大投资压力。为此，艾迈斯欧司朗首先推出了标准化产品来帮助客户评估其系统，部分已经通过芯片部分相关的车规或正在认证的路上。

在Flash 雷达领域，目前，艾迈斯欧司朗从五结层到八结层的产品样品已达到2 000 W/ 平方毫米的功率密度。在1D 和2D 领域，艾迈斯欧司朗的OSLO 和Riga平台可以与主流SPAD 有非常好的匹配。

6 艾迈斯欧司朗的EEL产品规划

梁泽春表示，EEL 领域的裸片产品， 如65 W、125 W，以及低温漂和多通道产品，可能已为大家所熟知。我们更推荐封装产品，封装产品不仅将裸片的处理难题交由元器件厂家解决，还采用了低成本的标准化封装方式，如常见且已经达到车规标准的QFN 封装。因此，我们建议优先选择封装产品，而不是裸片。

此外，艾迈斯欧司朗可以提供完全满足车规要求的SMD 封装技术，支持从单通道到多通道，从125 W 增至500 W，8 通道更可达1 000 W。而艾迈斯欧司朗的研发还不止于此，也涉及更多通道更高功率更小体积的解决方案。

7 结束语

无论是边发射激光器（EEL）还是垂直腔表面发射激光器（VCSEL），艾迈斯欧司朗均专注于提供高度专业化的激光雷达技术解决方案。我们的产品线涵盖从低功率到高功率，从单通道至多通道，以及从Flash 技术到1D 和2D 扫描技术。除此之外，艾迈斯欧司朗还深耕于车规级别的产品认证，确保产品的安全与可靠性。全球范围内，无论是哪种技术应用架构，我们都与顶级的Tier1 供应商和原始设备制造商（OEM）保持长期而成功的合作伙伴关系。

（本文来源于EEPW 2023年12月期）