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相控阵 LiDAR 工作原理
虽然原理简单易懂，但大多数相控阵激光雷达现在依然待在实验室里。Efficient Power Converter 公司 CEO Alex Lidow 表示：“我不得不说，相控阵激光雷达属于未来，现在我们还停留在旋转式或 MEMS 激光雷达的时代，前者更是处于统治地位。”
说到相控阵激光雷达，就不得不提 Quanergy，这家新创公司是 Strobe 公司的关键技术顾问，而去年 10 月份，Strobe 被通用收归门下，因此通用可能也在攻关这项技术。
第三种是 Flash LiDAR，它运行起来更像摄像头。激光束会直接向各个方向漫射，因此只要一次快闪就能照亮整个场景。随后，系统会利用微型传感器阵列采集不同方向反射回来的激光束。
Flash LiDAR 的一大优势是它能快速记录整个场景，避免了扫描过程中目标或激光雷达移动带来的各种麻烦。不过，这种方式也有自己的缺陷。
“像素越大，你要处理的信号就越多。将海量像素塞进光电探测器，必然会带来各种干扰，其结果就是精度的下降。”卡耐基梅隆大学机器人专家 Sanjiv Singh 解释。
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探测距离是车载激光雷达的一大局限
简而言之，Flash LiDAR 没有“远视眼”，在实际使用中不适合远程探测，而业内专家坚信，全自动驾驶汽车上搭载的激光雷达至少一眼就得看到 200 到 300 米外的物体。
现任福特公司高管的 Jim McBride 2005 年时也组织了一支队伍参加 DARPA 的自动驾驶大赛，在接受采访时他解释了专家们做出这一判断的原因。
McBride 先假设了一个场景，即自动驾驶汽车想在进入高速时汇入车流。“当时的车流至少有 100 km/h，也就是说车每秒就能跑 30 米。这样的情况下，大多数车至少要花 6-10 秒钟才能提升至 100 km/h，因此它们必须能在这一时间里看到自己周边车辆的情况，即离自己 180-300 米的车辆。”
对任何激光雷达系统来说，向 300 米外发射激光并探测其反射信号并不容易。各大制造商也使出吃奶的劲找了一些增加激光雷达探测距离的方法。
如今，大多数激光雷达传感器的激光都处在近红外范围内，一般厂家都会选择 905 纳米这一波长。不过，它比较接近可见光的波长（红光波长约为 780 纳米），而激光会损害人眼，烧坏视网膜上的光敏探测细胞，因此 905 纳米激光的功率受到严格限制。
为了避免伤害人眼，研发人员决定换用另一种波长的激光。举例来说，Luminar 公司就开发了使用 1550 纳米激光的激光雷达。由于它大大超越了可见光的范围，因此对人眼来说要安全得多。
解决了安全问题，1550 纳米激光雷达的功率就能大幅提升。相关数据显示，研究人员将激光雷达功率提升了 40 倍，它探测远程激光信号的难度低多了。不过有得必有失，1550 纳米激光和探测器很贵，因为它们制造时需要更多特殊材料。
除了提升激光功率，我们还能通过增强探测器敏感度来扩展激光雷达探测距离。被福特高价收归门下的 Argo AI 去年收购了 Princeton Lightwave——一家用高敏感度探测器（单光子雪崩二极管）制作激光雷达 的公司。这种探测器相当敏感，适合频率中一个光子就能将其激活。
同时，这些高度敏感的探测器也不新鲜，在军事和勘探领域已经使用多年了。去年，Princeton 就表示要将该技术引入汽车市场。
飞行时间（TOF）vs 连续波调频
在开发新一代激光雷达时，厂商们还面临第三种设计上的新选择，即如何测算时间和距离。大多数激光雷达直截了当用了飞行时间的方法。它会发射一条非常短的脉冲，然后用超级精确的计时器来算出脉冲一去一回到底花了多少时间。
除了靠飞行时间来测算距离，一些厂商还开发了更为复杂的方法，并将其命名为连续波调频（CWFM）。从命名就可看出，这种方法会向目标发射连续的激光束，该光束会分成两道光束，一道会飞向目标并反射回来，在飞行途中则会与另一道光束重组。
从激光雷达发射出的激光束频率会稳定增长，而从它分出来的两道光束则飞行了不同的距离，重新结合后频率会有所差别。这就生成了一个有差频的干涉图样，研发人员能从中得出第一道光束的飞行距离。
这种方式有多个优点。首先，“连续波调频激光雷达根本不怕背景光的影响。”美国军火巨头洛马公司的 Paul Suni 解释。“传统的飞行时间激光雷达一旦遇到同频率的其它光源，可能就会不知所措。”同时，CWFM 系统更为灵敏，即使面对强烈的眩光，也能正常工作。
这一点相当重要，因为未来自动驾驶汽车普遍会搭载多颗激光雷达传感器，有大量激光在空中飞来飞去，传统的飞行时间激光雷达肯定会受到干扰。
CWFM 还有个大优点，即可以将探测物体的距离和速度一网打尽。对此，Suni 解释称：“如果你的传感器和路上的车辆间发生了相对运动，那么信号就会发生多普勒频移。如果你只测量一个频率，就会出问题。”与其相比，CWFM 激光雷达会对不断增长和不断降低的两个频率进行测定。通过计算，距离和速度问题就能迎刃而解。
眼下，在进行 CWFM 激光雷达技术攻关的是一家名为 Aeda 的新创公司，《纽约时报》还专门进行了报道。此外，上述提到的 Strobe 可能也在进行类似研发。
低价激光雷达在路上了？
*磷化铟晶圆
激光雷达到底如何设计，恐怕各家公司已经尝试了各种可能的方案，但就连专家也不敢断言到底哪种设计能笑到最后。不过，所有人都信心满满地表示，未来几年激光雷达将迎来大降价。
历史无数次的告诉我们，原本高不可攀的产品，最终都会飞入寻常百姓家，前提是进行大规模量产。
Lidow 认为激光雷达会重复当年 ABS 的普及路线。“1979 年时，我就在通用开发 ABS。”Lidow 说。“当时，这套系统装下来要 8000 美元，对消费市场来说实在太贵。不过，航空公司买得起。随着 ABS 系统价格不断下滑，连大卡车也享受到了这项新技术。别忘了，卡车可是有 18 个轮子。
几十年后的今天，一套 ABS 硬件价格才 20 美元。
“我亲眼见证了这场技术进化。”Lidow 补充道。“汽车公司恨不得省下一切不必要的成本，而激光雷达系统并不比当年的 ABS 系统复杂。”
Lidow 大胆预测称，未来激光雷达传感器价格可能会降到 10 美元级别。
卡耐基梅隆的 Singh 也认为激光雷达大降价就在眼前。“计算器刚刚诞生时也卖 1000 美元一台。随着产量的提升，价格开始逐渐下滑，人们将各种零部件融合在了一块芯片上。”
激光雷达行业里，这样的故事也在发生，研究人员试图将所有的传感器零部件塞进一块芯片。
“我们的激光雷达芯片来自 300 毫米晶元，如果能达到年产百万级别，其生产成本就能降到 10 美元。”麻省理工研究人员 Chris Poulton 和 Michael Watts 在一篇论文中写道。这种芯片用了光学相控阵技术，不需要机械零部件。
当然，现在年产百万的目标很难实现，有分析师甚至警告称，恐怕这样的产品还得在实验室多待几年才能真正进入消费市场。“所有公司都在试图生产能替代 Velodyne 激光雷达的低售价固态产品，但恐怕没那么容易。”
除了量产上的挑战，固态激光雷达还有一个巨大的劣势，那就是它相当有限的视场。
福特的 McBride 表示，相控阵系统“最多只能看到 50 度的场景”，现在还没人能突破这一瓶颈，而 MEMS 的视场也只有 30 到 60 度。
这就意味着，想替代现在的顶置旋转激光雷达，至少要在车上安装 6 到 12 个固态激光雷达，固态产品的价格优势便会荡然无存。因此，现在就断言机械激光雷达将死还为时尚早。“一个旋转的圆盘可不贵，而且别忘了，车里会旋转的机械零部件也不少，它们使用数万公里也没什么问题。”Lidow 说。
不过，历史的车轮滚滚向前，虽然想拉低激光雷达售价需要工程师的不断努力，但这条路上并没有什么难以克服的困难，因此高品质激光雷达售价跌到 1000 甚至 100 美元都是有可能的。
这就意味着，自动驾驶汽车的售价最终能为普通消费者所接受。而在此之前，一台激光雷达 7.5 万美元的售价就足够让人望而却步了。
眼下，大量资本正在注入激光雷达行业，为的就是开发出性能更强，价格更低廉的激光雷达产品。虽然现在我们无法预测激光雷达廉价化的那一天到底何时到来，但可以想见的是，原本是“天之骄子”售价高高在上的激光雷达会随着时间的流逝变得越来越便宜，性能也会越来越好。
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正在进行的激光雷达“世界大战”中，Velodyne已稳操胜券了吗？
(来源：雷锋网)
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