本文探討了當今LiDAR（激光雷達）系統所面臨的五大挑戰以及如何應對這些挑戰。一旦消除這些障礙，LiDAR將發揮廣泛的應用潛力。據麥姆斯咨詢報道，LiDAR這項技術已經在許多應用領域取得了相當大的進展，僅舉幾例：空間測繪、無人駕駛汽車、安防和無人機等。

然而，現如今傳統的LiDAR體系架構的發展正面臨著五大挑戰，使其無法作為一種經濟高效的解決方案大規模使用，而此解決方案可提高汽車性能和安全性，解決更多的工業流程問題和應用，并為消費類產品增加新的功能。目前在駕駛試驗中使用的LiDAR技術有助于人工智能（AI）系統的訓練，但是由于無法滿足尺寸、可靠性和成本的要求，暫時還無法在量車汽車中展開部署。正在開發的新型LiDAR系統可以滿足廣泛生產部署的所有要求，但首先，讓我們先來回顧一下需要克服哪些挑戰。

當今LiDAR系統面臨的五大挑戰

這五項挑戰意義重大，在它們得到解決之前，LiDAR作為量車汽車中可廣泛部署的技術之一，我們只實現了其一小部分的潛力。

1. 尺寸如今多數LiDAR系統都是安裝在汽車頂部的一套大型旋轉裝置，非常顯眼。但該技術不符合OEM（原始設備制造商）大眾市場部署的尺寸、成本或汽車認證要求。雖然目前有一些尺寸較小的旋轉LiDAR裝置，通過將多個單元嵌入至汽車的各個區域來擴大應用，但是這些組件仍然太大，有些甚至是通過犧牲性能（分辨率和距離）來減小尺寸。如果繼續將復雜的旋轉機械部件壓縮進更小的封裝，或者使用無法進一步減少成本或滿足汽車一級資質要求的技術和部件，收效將會逐步減小，這就要求對技術進行根本性的變革。

2. 成本LiDAR的演示通常會在客戶中引發一陣高潮，不幸的是，他們后來發現演示模型的制勝功能依賴于昂貴的、非指定的組件，而這些組件卻無法滿足汽車級認證。主要的成本驅動因素是激光器與光學器件的對準，獲得足夠的輸出功率以滿足距離要求，并設法使激光束覆蓋所需的視場。目前試驗中部署的LiDAR中的多數技術都無法針對大眾市場應用降低成本。盡管有人聲稱產量的增加會降低成本，但是如果不進行重大的設計修訂，即使有高產量或設計改進都是不夠的。

3. 可靠性現如今的LiDAR系統大多是基于宏觀機械或微機電系統（MEMS），具有運動部件的所有缺點，包括有限的可靠性。這些產品需要仔細校準，而且制造成本很高。由于大多數材料不具備在汽車一級溫度范圍（-40°C至125°C）內工作的條件，所以它們在熱應力下的故障率會很高。比較明確的做法是用固態替代方案替換運動部件，使每個部件都能夠滿足一級溫度和質量要求。然而，即使像激光器這樣的固態技術也還有很長的一段路要走，畢竟現在很少有激光器能滿足一級車規的要求。

4. 探測距離現在LiDAR系統已經證明了可以實現相對較遠的探測距離，但是目前存在一個大家廣泛持有的假設是，這種性能水平僅在1550nm掃描激光器中才有可能達到。該技術確實可提供良好的探測距離，但由于高功率1550nm激光器和傳感器的成本，價格卻非常高。現已開發出廉價泛光激光器技術，具有可比的探測距離和有吸引力的成本優勢。

5. 人眼安全長期以來，1550nm波長的激光被認為是人眼安全的最佳數值。它確實是比那些可以穿透眼睛進入視網膜的激光類型更安全。然而，高成本的1500nm二極管泵浦固體激光器（Diode Pumped Solid State laser，DPSS）、二極管泵浦光纖激光器（Diode Pumped Fiber laser）或帶有摻鉺光纖放大器（Erbium& Doped Fiber Amplifiers，EDFA）的分布式反饋激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）的主導地位目前正受到新的器件拓撲的挑戰，這些器件拓撲可使較短的波長變得安全。

應對尺寸挑戰

好消息是什么？在車輛頂部旋轉萬向架上安裝大型旋轉“全家桶”（即LiDAR）的日子已經所剩不多了。使用合適的垂直腔面發射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）照明器可以大大減少LiDAR系統的占位面積。照明解決方案制造商可以將數百個VCSEL激光器集成到僅為毫米級大小的微芯片上。這項技術將極大地減少LiDAR系統整體尺寸，同時還能提供照亮整個視場所需的人眼安全的高功率。LiDAR單元可以縮小至一副牌的大小甚至更小。在汽車應用中，這就可以將LiDAR安放在汽車外部和內部的多個位置，以有效地測量距離可為數米或遠至200多米的物體。這些變化為無人駕駛汽車提供了額外的環境監測和防碰撞功能。

圖1 TriLumina生產的VCSEL芯片

打破成本壁壘

縮小LiDAR系統尺寸背后相同的技術和思路，也可以用于大幅節約成本！半導體VCSEL，特別是940nm波長的VCSEL激光器，利用現有的半導體工藝，針對手機等大規模生產的產品進行優化，使用硅基芯片代替了1550nm激光器和傳感器中價格更昂貴的磷化銦（InP）和銦鎵砷（InGaAs）器件。當您將這些工藝和材料所節省的成本整合計算后，每個LiDAR單元的成本可以降至200美元或更低，而目前許多機械和1550nm解決方案的成本都超過1000美元。以這樣的價格，在無人駕駛汽車上使用多個LiDAR單元以獲得先進的傳感能力和更高的安全性要實際得多。

提高可靠性

當今的LiDAR技術大多是基于旋轉鏡或MEMS微鏡。這些技術包含很多運動部件，它們的生產成本和故障率都很高。值得注意的是，許多LiDAR系統必須在不太理想的氣候和高振動環境下運行。理想的940nm波長的VCSEL模塊化激光技術可在通過AEC-Q100認證的一級溫度范圍內（-40°C至125°C）的汽車中工作。這項技術已經在電信領域應用了二十多年，可靠性極高。此外，這些新型VCSEL激光器已經針對遠程LiDAR的功率要求和AEC-Q100認證一級溫度范圍，進行了數百萬小時的等效運行測試，性能沒有出現任何意外降低。

擴大探測范圍

通常，由于人眼安全限制，905nm波長的邊緣發射激光器（EEL）只能在100米左右的范圍內使用，而1550nm波長的激光器可用于實現遠距離并對人眼安全的照明。然而，在可以預見的未來，1550nm波長激光器和傳感器的成本是令人望而卻步的。LiDAR行業流傳著自己的傳說，認為實現這一長距離探測的唯一方法，只有通過使用這些昂貴的1550nm波長的激光器和傳感器。940nm波長的VCSEL激光器結合了獨特優勢，既利用了太陽光譜在940nm的大幅下降（太陽光干擾較小），又利用了大規模、低成本的VCSEL技術。940nm處環境光噪聲的降低，使得在較低的激光功率下可以獲得更廣的探測范圍。現在，已經在移動電話中使用了940nm波長的VCSEL激光器，以便在極低功率和短距離內實現3D傳感。現在，VCSEL技術可以在相當遠的距離內使用，并且還能保護人眼安全。

針對人眼安全的創新

由于人眼安全限制，905nm波長的EEL激光器通常只能限制在100米左右的范圍內使用。盡管紅外激光附近的高功率連續波會穿透視網膜并損傷視力，對人眼產生傷害，但是人眼可以承受（人眼安全）在較低占空比下極短脈沖（十億分之一秒脈沖）的高功率940nm波長的光源。如今的940nm波長VCSEL陣列與EEL激光器等高亮度點光源完全不同。940nm波長的VCSEL陣列包含很多單顆VCSEL激光器，每個激光器功率相對較低，使用短脈沖，因此對人眼比較安全。該技術使用窄脈沖（十億分之一秒）以非常低的重復頻率運行。當這些VCSEL組合成陣列時，它會產生具有很高輸出功率的分布式光源，從而來實現長距離探測，但其平均功率很低，并且分布式光源不會損壞視網膜。例如，TriLumina開發出了對人眼安全的倒裝芯片940nm波長脈沖VCSEL陣列，其600W峰值光功率可以支持超過250米的探測距離，具有低占空比的特點，平均光功率僅為半瓦。

圖2 TriLumina開發出了對人眼安全的倒裝芯片940nm波長脈沖VCSEL陣列

LiDAR的廣泛部署有望實現

雖然現在MEMS和機械式LiDAR面臨的挑戰確實是廣泛部署LiDAR技術的主要障礙，但這可以通過有望在2019年初完成車規認證的新型VCSEL激光技術來克服。想象一下在車內和車外都有感應功能的無人駕駛汽車，將可以大大減少每年超過3.7萬的交通事故死亡人數，并且實現無人駕駛。這些目標只能通過控制成本、減小尺寸、滿足汽車可靠性要求和擴大探測距離，同時確保人眼安全來實現。利用正確的激光技術，LiDAR將可以采取下一步措施邁向更廣泛的部署。TriLumina目前正為汽車ADAS（Advanced Driver Assistance Systems，高級駕駛輔助系統）應用開發VCSEL產品，并針對性能、尺寸、成本、人眼安全和汽車一級資質等各個特定領域進行研究，以實現LiDAR的廣泛部署。這是基于專利倒裝芯片和背發射VCSEL陣列，而該陣列可將高脈沖功率陣列、集成微光學器件和電子束轉向集成在一個芯片上。