圖 淬滅工作過程

四、優缺點比較

（1）探測光子量級。如圖所示，APD最小探測的光子量級在 103，所以對于長距低反只有幾十個光子返回的被測物體，APD無能為力。SPAD是單光子探測器，只需要一個光子但也至多檢測一個光子，因為每次光子觸發雪崩之后，需要幾個納秒的死區時間來準備下一次檢測，所以SPAD的最大基數率有限制，大約100MHz。

圖 探測所學光子量級比較

（2）連續信號采集。APD無死區時間，可以對光照進行連續信號采集，連續接收信號光。但是SPAD存在死區時間，即觸發一次雪崩后，需要進行淬滅及充電，所需的死區時間從從幾納秒到一微秒不等。在死區時間里，SPAD對光不再敏感，無法接收光子，因此無法對光照進行連續信號采集。

（3）抗環境光干擾。APD需要由多光子觸發，雖沒有那么靈敏但也受環境光干擾較小。SPAD可由單光子觸發，靈敏的同時也較容易受到環境光及其他激光雷達的干擾。

（4）集成難度。硅基SPAD的一大優點就是CMOS兼容性，即SPAD和電路可以在同一晶片上實現，易于制作高分辨率的密集陣列且成本較低。而APD屬于分立器件，想要用作陣列就會加大自身尺寸且價格較高。

（5）光電增益高。SPAD的光電增益可以說是無限的，高增益讓SPAD更為敏感，可以檢測出單個光子。而APD的光電增益是有限的，無法對單光子進行檢測。

（6）時間精度高。SPAD的時間精度可達100ps，信號傳輸速度快。

五、小結

因為入局門檻太高，所以研發SPAD的企業數量少、產品稀缺，核心技術還是掌握在國外供應商手里。目前市面上真正可以看到的車規級傳感器，只有安森美的Padion SPAD和索尼的IMX459，而在中國市場，阜時科技、靈明光子、芯輝科技、宇稱電子等也在布局研發SPAD，主要專注的市場還是在機器人、無人機等領域，部分企業開始推出車載產品。

05 測距方式之爭

測距方式是激光雷達更高維度的分類方式，針對其優缺點討論更是絡繹不絕。

按照測距方式不同，激光雷達主要分為飛行時間法（Time of Flight，ToF）與調頻連續波（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）法兩類。

ToF法是目前量產激光雷達的絕大多數選擇，FMCW法僅有極少數廠家可以提供量產產品。

一、ToF

在ToF方法中，激光器在短時間間隔內一個接一個地發射多個激光脈沖，如圖所示。

圖 ToF激光雷達激光脈沖

激光脈沖打到物體后返回，探測器檢測到回波后，內部處理單元計算發送和接收之間時間差，并基于公式距離=光速x時間差來計算激光雷達與被測物體之間距離，測距原理如圖所示。

圖 ToF激光雷達測距原理圖

二、FMCW

FMCW激光雷達雖然近兩年才開始在自動駕駛領域走紅，但它的身份其實是個60后，1967年誕生于麻省理工學院林肯實驗室。

與ToF激光雷達發射脈沖激光束不同，FMCW激光雷達發射的是調頻連續激光束，同時分成兩束，一束留在本地作為本振光，一束發射出去。而通過相干檢測的方式，測量回波信號與本振光之間由距離延時引入的調制頻率差和相對速度引入的多普勒頻率差，可以求出被測物體的距離與速度。

FMCW激光雷達常用的調頻方式有三角波形式、鋸齒波形式和正弦形式，如圖所示。周期T稱為信號重復時間，頻率的變化范圍稱為調制帶寬B。

圖 FMCW激光雷達常用的三種調頻方式

FMCW激光雷達可以根據測量目的不同，選擇不同的調制方式。比如與被測物體之間多普勒效應可以忽略的場景，可以選用鋸齒波調制方式，從而實現更大的探測距離。而如果想要實現同時測距和測速，且更容易解調出多普勒頻移，三角波調制方式是個不錯的選擇，三角波調制方式也是車載FMCW激光雷達最常使用的方式。

下面我們以三角波調制方式為例，介紹FMCW激光雷達的測距和測速原理。

發射出去的調頻連續激光束，在打到被測物體后，由于多普勒效應，會發生頻率變化，假設被測物體正在朝遠離激光雷達的方向運動，那么回波信號的頻率將下降。由于多普勒效應導致回波信號與發射信號之間頻率出現的差值稱為多普勒頻移fd，如圖所示。

圖多普勒頻移

此外，由于激光雷達和被測物體之間有一段距離，信號傳輸需要一定時間，因此存在因距離延時引入的調制頻率差fr，如圖所示。

圖 調制頻率差

當多普勒效應遇上距離延時，兩種作用疊加在一起，就變成圖所示的效果。

圖多普勒效應遇上距離延時綜合作用

由圖6可以看出，在頻率上升沿t1時刻產生的頻率差為Δf1=fr+fd，在頻率下降沿t1時刻產生的頻率差為Δf2=fr-fd，聯立方程組即可求出fr和fd。

對于發射信號來說，其頻率變化速率為2B/T，則距離延時用頻率差除以頻率變化速度即可求出。

有了距離延時，再乘以光速c，便可以求出與被測物體的距離R。

最后根據多普勒公式，還可以求出被測物體的速度。

三、對比

FMCW激光雷達被稱為激光雷達領域皇冠上的明珠，與ToF類型激光雷達在以下性能上有著明顯的區別。

（1）抗串擾及干擾能力

串擾可能來自其他車輛上的激光雷達、也可能來自自身車輛的其他其他激光雷達；干擾主要來自環境光。

ToF類型激光雷達發出去的激光脈沖和接收的激光脈沖，原本就是一束，波長一樣的。將來如果有特別多的車裝有激光雷達，行業標準一樣，那么就很難識別是自己發射出去激光脈沖的回波，還是其他車激光雷達發射的激光脈沖。

解決這個問題常見的做法是對每一束激光脈沖進行單獨編碼，保證不同激光雷達發射的脈沖是不可重復的、不可變化的真隨機發射脈沖序列，也就是每一束激光脈沖都是獨一無二的。不過，編碼會導致信噪比下降，進而犧牲測距能力。

此外，同一輛車上的兩個相鄰ToF類型激光雷達A和B，如果安裝位置比較湊巧，激光雷達A發射的激光脈沖經過漫反射之后被激光雷達B接收。這個時候也存在較小的概率使激光雷達B無法分辨是自己發射的激光脈沖的回波還是旁邊激光雷達A的回波。

對于此類問題，可以通過加裝時鐘同步模塊，將同一輛車上的所有激光雷達的掃描動作與同一個時鐘信號保持同步。在發射器發射一個激光脈沖后，在同步時鐘的計算下，探測器延后一定時間進行接收，隨后關閉。如果在此時間接收不到，則認為丟點。此方法能盡量避免相鄰雷達激光脈沖漫反射的影響。

與此同時，ToF類型激光雷達，基于直接探測的原理，直接測量激光脈沖的回波信號，探測器本身不具備區別進入探測器的回波是自身發出激光脈沖的回波還是環境光。因此當激光雷達視窗直面陽光，如果處理得不好，很容易在激光點云中出現雪花一樣的噪點。

如果對陽光更敏感的1550nm激光發射器開始大規模應用在ToF類型激光雷達后，這個問題將更加嚴重。這個問題可以從系統和算法兩個層面去優化，系統層面可以通過各種濾波片來對抗干擾，也可以把焦距做得更長使其接觸更少的陽光，但是將犧牲視場角；算法層面可以加入接收回波與發射脈沖的能量對比策略，忽略能量較小的陽光干擾。

而對于FMCW激光雷達，采用的是相干檢測技術，回波信號會被本振光（激光器留在本地的一部分激光）放大，這個放大倍數是非常高的，放大后的信號處理起來就非常方便。而且，FMCW利用的是一個很窄頻的激光器，頻率在100kHz量級，相當于要在百萬分之一納米這么窄的一個光譜上跟自己做混頻，其他跟這個頻率不吻合的信號都會過濾掉，同頻的情況只會發生在百萬分之一納米的范圍內，在今后即使很多車輛都搭載激光雷達的狀態下互擾的概率就非常低。

對于干擾，雖然環境光是廣譜的光，但FMCW只會接收自己發出去頻率相同或相近的光，FMCW激光雷達內置的光源的強度要比反射進來的陽光強度高至少三個數量級，因此，陽光對它的影響基本可以忽略不計。此外，FMCW激光雷達的濾波片很小很小（ToF激光雷達的濾波片帶寬有20-30納米，而FMCW激光雷達的濾波片帶寬則在0.01納米以內。），因此抗干擾能力很強。

（2）測速能力

FMCW基于多普勒效應，可以直接提供被測物體的實時速度信息。ToF雖然也可以輸出速度信息，但需要多幀距離信息去求導，帶來的延遲在一些場景下具有不可忽視的危害。

比如路邊車門突然打開，下來一個人，俗稱“開門殺”。ToF激光雷達則通常需要2-3秒才能識別出來，這個反應時間在緊急情況下，顯然有點長了。而對于FMCW激光雷達來說，一幀就可以識別出來。

還有一個場景，就是“鬼探頭”，車輛行駛過程中，前方行人突然從停著的車輛前出現，這個人的身體大部分都被車子擋住，只露了個頭出來，但即使是這么小的一個頭，FMCW也能馬上識別。

（3）信噪比

信噪比（Signal-to-noise Ratio，SNR），指的是系統中信號與噪聲的比。對于激光雷達來說，信噪比越高，意味著收到的回波信號中，有用成分越高，干擾分量越少。

上文已介紹，ToF激光雷達對其他激光雷達發出去的激光、環境光等都容易誤識別為自己發射出去激光的回波，因而信噪比低。而FMCW激光雷達基于相干檢測的方式，信噪比高3~4個數量級。

（4）遠距離測量能力

探測距離更遠，是FMCW激光雷達具有爭議的一項能力。

對于一款250m@10%探測能力的1550nm激光雷達來說，不是說250m外10%的被測物體全都探測不到，而是指原本要返回100個點云，現在僅返回了1個點云，考慮到ToF激光雷達的信噪比，這樣的點還是歸類為噪點濾掉比較好。

而對于1550nm FMCW激光雷達來說，雖然僅返回了一個點云，但是此點云帶有速度信息且考慮到FMCW激光雷達信噪比高，所以你是可以相信我這個點的。

這是FMCW可以不區分反射率達到500m探測能力的原因，但其實在我內心，僅憑一兩個帶速度信息的點就相信前面有物體，還是膽子大了一點。

（5）芯片化

芯片化被認為是激光雷達的終極產品形態，也是激光雷達廠商構筑起技術壁壘的護城河。在這一理想指引下，ToF激光雷達已經做了一些有益的嘗試，比如部分廠商已經將激光器和探測器分別芯片化，但如何將光學部件及掃描模塊也實現芯片化，是擺在行業面前的一道難題。

而FMCW激光雷達的最大的好處之一就是可以基于硅光技術實現集成，激光器、探測器、掃描模塊不僅可以芯片化，還有可能設計成一個SOC，理想狀態下甚至連光學部件也能實現芯片化，因此FMCW具有更徹底芯片化的潛質。

（6）成本

從長遠來看，FMCW更徹底的芯片化潛質，在大規模出貨后，將展現出巨大的成本優勢。但在當前，無論是1550nm激光器、光學元器件還是電子元器件的高成本，都讓FMCW激光雷達比ToF激光雷達更貴。

四、行業

FMCW激光雷達雖然具有遠大的前景，但受制于上下游技術瓶頸，目前尚未有量產的產品。目前走在研發前列的多為國外公司，包括Mobileye、Avea、Aurora（收購了Blackmore和OURS）等。

值得一提的是，Aeva在2022年2月發布（預計2024年量產）第三代FMCW激光雷達Aareis II，已經成功將激光器、探測器和光學部件集成到一塊只要硬幣大小的芯片上。

國內公司像洛微科技、光勺科技、擎感光子等也在積極布局。

06 主流激光雷達產品介紹

前面五篇文章，筆者詳細介紹了激光雷達不同技術路線的工作原理，而用這些技術路線組合出來的主流產品具有什么樣的性能，其實是主機廠更關心的話題。

從市場份額來看，禾賽科技、速騰聚創、圖達通無疑是激光雷達行業的頭部三熊，各家的主流產品AT128、RS-Lidar-M1和Falcon已經得到部分主機廠管理層的認可，本篇文章，筆者就對這三款產品進行一個基本介紹。

01 禾賽科技AT128

AT128是禾賽科技在2021年8月份推出的一款混合固態激光雷達產品，首發車型為2022年6月上市的理想L9。其核心的性能參數如表4所示。

表4 AT128核心性能參數

AT128人如其名，有128個貨真價實的激光器，我們知道，激光器成本在激光雷達整個成本里占大頭，別人用五六個，你用一百多個，成本上如何找到最優解呢。禾賽科技給出的解決方案是芯片化，通過半導體工藝將芯片陣列化，圖43藍色矩形框框起來的部分就是128個激光器的芯片陣列化方案。陣列化方案可以減少產線裝配時間、光路調整時間，從而提高生產效率、降低生產成本。

圖 AT128 激光器陣列化方案

目前半導體激光器有兩種，EEL和VSCEL，VSCEL激光器垂直襯底表面發光，特別適合利用半導體工藝實現大規模發光陣列。從部分自媒體的拆解報告來看，AT128里面使用的是Lumentum峰值功率為70W、波長為905nm的VCSEL激光器，型號應該是M51-100。

但是VCSEL的缺點是功率密度低，比EEL低一個數量級，而在功率密度低而想提高探測距離的就只能選用效率及靈敏度更高為探測器，為此AT128里選用的是SiPM探測器。

AT128掃描模塊為轉鏡方案，因為有實實在在的128個激光器，所以只需要一維轉鏡即可，負責水平視場角掃描。

02 圖達通Falcon

Falcon是圖達通和蔚來在2021年1月NIO Day上聯合推出的一款混合固態激光雷達產品，首發車型為2022年3月上市的蔚來ET7，其核心的性能參數如表3所示。

表5 Falcon核心性能參數

我們先從圖達通2019年在國內申請的一份專利《用于LIDAR系統的二維操縱系統》來整體了解一下這款激光雷達采用的技術路線。

如圖所示，整個系統包含光源706，掃描光學器件712，可旋轉多面棱體702和探測器712。

圖 專利《用于LIDAR系統的二維操縱系統》中附圖

光源和探測器數量可以是一個或多個，掃描光學器件可以是鏡式檢流計、旋轉鏡或光柵中的任意一種，主要作用是將光源發射的一個或多個光信號反射到旋轉多面棱體上。掃描光學器件采用傾斜的方式并以一定方向來掃描光源的一個或多個信號。

可旋轉多面棱體具有任意數量的反射面，可以是6/8/10/20……個。可旋轉多面棱體基于驅動電機繞著軸線703旋轉，以沿著垂直于旋轉軸線方向掃描從光源遞送過來的光信號。

掃描光學器件用來負責垂直方向掃描，可旋轉多面棱體負責水平方向掃描。發射出去的光信號在708區域內擊中對象發生散射后，返回的光信號返回到旋轉多面棱體上，反射回到掃描光學器件，并由透鏡710聚焦到探測器712上。

接下來我們就看一下部分自媒體的拆解分析。

從實物拆解來看，Falcon光源部分采用了一個1550nm的光纖激光器，這也是最遠500m，10%反射率下250m測距能力的基礎。掃描模塊采用振鏡+棱鏡的技術方案，振鏡（非MEMS微振鏡）在擺動電機的作用下負責垂直25°范圍內的掃描，棱鏡采用的是五邊形，在旋轉電機的作用下負責水平120°范圍內的掃描。

振鏡+棱鏡的組合也讓Falcon具有動態調節感興趣區域（Region of Interest，ROI）的能力，通過降低振鏡擺動電機在某一角度區間內的旋轉速度，可以讓垂直角度范圍內掃描點更密集，棱鏡的轉速雖然是恒定不變的，但是通過周期性提升激光器點頻，也能在特定的水平視場角內讓掃描電更密集，ROI掃描示意圖如圖所示。

圖 Falcon ROI掃描示意圖（來源中信證券）

通過此種調節，ROI點云密度可以做到非ROI點云密度的6倍，ROI區域的角度分辨率也可以達到0.06°x0.06°。

由于光線激光器的功率密度足夠，Falcon探測器選用了普通的APD探測器，這也是該省省、該花花。

03 速騰聚創RS-Lidar-M1

M1是速騰聚創2018年1月在美國CES展上推出的一款混合固態激光雷達產品，只不過當時還是工程樣機階段，后經過兩年的打磨，SOP版本于2020年1月推出，首發車型為2022年9月上市的小鵬G9。其核心的性能參數如表3所示。

表6 M1核心性能參數

2021年是M1這顆激光雷達的高光時刻，到這一年的年底，共獲得約40余款車型定點，成為當時拿到車企前裝定點最多的激光雷達企業，后來禾賽科技AT128量產后，這一局面才被打破。下面筆者從民生電子拆機報告里，匯總一些M1核心零部件信息。

激光器類型為EEL，數量為5個，供應商為歐司朗。掃描模塊為MEMS微振鏡，鏡面尺寸5mm左右，供應商為希景科技。其掃描示意圖如圖46所示，由六個區域拼接而成。探測器類型為SiPM，供應商為安森美。處理器為賽靈思的FPGA方案，型號為：XAZU2EG。

圖 MI掃描示意圖（來源中信證券）

04 總結

2024年1月份的美國CES展上，禾賽科技推出了物理512線超高清超遠距激光雷達AT512，速騰聚創發布了940nm超長距激光雷達M3，圖達通聯手Wideye推出了一種創新的車內激光雷達解決方案，法雷奧祭出了性能卓越的SCALA 3，Aeva推出首款可量產汽車級FMCW 4D激光雷達Atlas……