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十年前从“零”开始的1550nm激光雷达，将在百年内拯救一亿人生命

时间：2022-09-28 10:40:47

关键字：激光雷达 1550nm Luminar ADAS

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[导读]今日飞凡R7上市，采用Luminar Iris激光雷达。本文为你揭开这一十年前从“零”开始的1550nm激光雷达，如何将会在百年内拯救一亿人生命。

自动驾驶中有三个要素：感知、决策和控制。其中感知层尤为关键，是所有决策的基础，准确的感知是未来自动驾驶安全性的首要保障。目前感知层面应用的传感器主要是摄像头、毫米波雷达和激光雷达，其中激光雷达能够通过优质的探测能力构建三维立体的环境，解决目前很多自动驾驶系统中无法解决的一些边缘场景问题，因此备受关注。

要实现准确的环境感知检测，传统的905nm波长的激光雷达解决方案有着诸多局限，因此十年前，Luminar开始了全新的激光雷达产品的研发。

十年前从“零”开始，研发1550nm激光雷达

2012年，年仅17岁的Austin Russell创立了Luminar。他的愿景是希望打造一款全新的激光雷达，能够超出当前产品数倍乃至几十倍的检测能力和范围。要在905nm的激光雷达上实现更高的检测能力，就需要提高发射功率，但过高的功率会对人眼造成伤害。要在保证更高性能的同时满足使用的人体安全，因此Luminar选择了波长更长的1550nm的激光雷达技术路线。

1550nm的技术在彼时对于Luminar而言几乎是从零开始，要从激光发射器、接收器和扫描方式上进行技术攻坚，进行专用ASIC的研发设计。首先激光发射器需要能够实现高功率的激光脉冲和高质量的光束发射；另一方面，接收器要具备高敏感度且有较广的接收范围。传统的硅接收器已不能满足1550nm波长的接收，因此需要进行全新的铟稼砷接收器的研发。据Luminar中国区负责人陈钰博士介绍，Luminar激光雷达能够600米最大探测距离，在小于10%的反射率对目标障碍物的检测和识别能够达到250米的探测范围。（905nm激光雷达针对10%的反射度大约可以检测到150米左右）

在扫描方式上，Luminar并未采用905nm激光雷达惯用的微振镜的方式，而是使用转镜、摆镜和电机驱动相结合的双轴扫机制。微振镜是通过一个高频振动的微振镜来实现的，这种扫描方式能够覆盖的转角非常有限，要实现较大视场角的覆盖，需要多个激光器和扫描器进行视场的拼接，这就提高了信号处理的复杂度。另外在高频震动时，硅基微振镜扫描器中悬臂梁的结构比较脆弱。由于这种拼接方式和结构脆弱，因此在激光雷达的制造过程中，安全和调试工作比较复杂而且耗时。

Luminar的扫描方式相对技术更为成熟，是一种二维点光束的扫描方式。横轴采用转镜的方式，纵轴采用摆镜的方式，通过双轴的同时扫描能够覆盖整个激光雷达的视场角。基于这种扫描方式，Luminar在垂直方向上定义了一个ROI（Region of Interest）区域，即感兴趣的驾驶空间。在感兴趣的区域，可以调整激光雷达的扫描精度，增加扫描的线束，实现高密度、高精度扫描以及远距离物体的识别，实现每角平方度300个点高分辨率的优质扫描性能。而传统机械式激光雷达多使用线光束，只能实现一维的扫描方式，只通过旋转扫描方式，在垂直方向无法实现扫描精度的优化。

在低阶辅助驾驶中，用1550nm激光雷达提高主动安全

技术上的讲解比较枯燥，结合实际场景更容易理解1550nm激光雷达相比905nm激光雷达的优势。据陈钰博士介绍，1550nm的激光束的能量比较集中，因此对于远距离的小障碍物的检测更具优势。

一个激光束的散射率是和波长的四次方成反比的，当激光束达到远距离处一个小障碍物时（比如一个20cm×30cm），由于1550nm的激光束能量非常高且激光束散射比较低，激光能量比较集中，对远处小障碍物的识别在50米外可以检测到16-21个点，在150米还有1-4个点的检测能力。但905nm激光束散射率较高，当激光束达到远距离时斑点会比较大，为了识别远距离的物体，必须要达到一定范围的覆盖才能反射回波被激光雷达所识别，所以它能够检测的点数会和1550nm有本质区别。在更远的距离，由于物体比较小，无法覆盖整个激光束能量的一定的百分比以上，对远处物体就无法进行识别。

除了物体检测外，另外一个重要性能是车道跟踪和车道线检测，Luminar的技术能够达到150米远距离的探测和检测范围。如果只采用一维的扫描方式，在垂直方向采用阵列的多个激光器，由于激光器分布是均匀的，就无法实现对前方道路重点扫描区域的精度优化。Luminar的二维扫描方式可以动态提高垂直方向上的扫描精度，通过Luminar感知软件，可以将汽车前方道路的检测、感兴趣的区域进行动态调整。当汽车上下坡、或通过一些地面的障碍物时，可以根据汽车姿态动态识别汽车可驾驶的空间，根据驾驶空间来优化感兴趣区域的扫描精度。这样就可以在道路驾驶过程中，永远保持对驾驶员前方感兴趣的视野的进行高精度扫描，实现高精度的探测。

对于Luminar而言，除了L3、L4级的高阶自动驾驶外，同样更关注在低阶的辅助驾驶中应用激光雷达，来提高主动安全性。

据统计数字显示，目前辅助驾驶系统在大概每十几公里就会发生某些误判。当前的传统辅助驾驶系统一般在低速驾驶过程中能够提前介入，检测到附近的物品，并不能够在更高速的场景中，对于远距离的物体实现准确判断。

由于Luminar 1550nm激光雷达在检测距离和精度比现有产品有大幅度提升，因此在自动紧急制动、自动紧急转向两个功能上，所能覆盖的场景会有大幅提升，在更高的速度、更远距离的障碍物场景中，也能够帮助驾驶员提前介入，实现安全性的提升。

除了1550nm的激光雷达和软件，同时Luminar也在加紧研发一个名为“哨兵”的全栈式自主解决方案，预计到年底会有一个Beat版本发布，旨在帮助激光雷达在量产车上实现主动安全性能提高和高速公路自动驾驶安全性。

陈钰博士表示，Luminar的愿景是在100年内拯救1亿人的生命，期待1550nm的激光雷达未来可以成为所有汽车的标配，就像安全带、安全气囊一样，实现避免事故拯救生命的宏伟理想。另外，在高速公路自动驾驶，相对没有那么复杂的驾驶场景中，希望通过激光雷达产品尽早帮助客户实现自动驾驶的功能。

布局1550nm激光雷达技术：自研+收购垂直整合

为了实现在1550nm激光雷达上的绝对统治力，Luminar一方面在内部进行了数年的关键技术打磨，另一方面也进行了一系列的垂直收购整合。

例如Luminar将Optogration的InGaAs光电探测器芯片与BFE(Black Forest Engineering)生产的硅ASIC相结合，打造出激光雷达接收器和处理芯片。这是世界上同类产品中灵敏度最高、动态范围最高的InGaAs接收器，能够每秒获取和处理千兆位的精确数据，以产生最佳的激光雷达数据。另一家被收购的公司Freedom Photonics具备高功率激光器及其相关光子集成电路技术，可以优化未来的激光雷达传感器性能，并有效降低成本。Open Photonics 是一家致力于光学和光子技术商业化的开放式创新公司，这次收购帮助 Luminar 获得了激光雷达领域优秀的技术人才。

经过了十年的发展，Luminar已经掌握了1550nm激光雷达的核心技术，并且也具备了批量生产、成本和质量的掌控能力，能够保证自身供应链安全。在推出Iris激光雷达产品后，已经逐步获得了商业伙伴主要客户的量产定点项目。陈钰博士表示，Luminar通过这些核心零部件技术和公司的收购，能够达到一个很好的垂直整合，为将来量产发展和规模发展创造很好的优势和条件。

另外，除了为未来三到五年的量产项目提供技术、产品之外，Luminar还有一个基础研发团队，不断创新激光雷达未来技术和新一代产品的发展，为自动驾驶行业的长期发展做出贡献。

未来：在中国实现本土化生产

在汽车的电动化、智能化发展中，中国实际是走在了全球汽车行业发展的前端。Luminar也希望能够在其中扮演重要的角色，和中国客户共同探索未来智能汽车发展。针对中国市场，Luminar制定了三个策略：差异化、本土化和合作伙伴。

“差异化”是指助1550nm这一全新的激光雷达产品，为客户带来差异化的价值。针对未来3～5年的量产车，Luminar已经提供了Iris这样产品，未来还会继续拓展产品路线图。

“本土化”指的是通过中国市场建立强有力的团队，能够吸纳自动驾驶、激光雷达甚至光学、电子等方面的人才，在中国市场建立一个强大的技术能力，能够提供本土化的量产项目的支持和服务。当前，汽车行业供应链的安全、供应链的效率是业内非常关注的问题。针对本土化的生产、供应商和供应链的本土化，Luminar也在积极规划当中，希望未来可以寻找到一些合作伙伴，在中国实现本土化的生产。

“合作伙伴”指的是和中国不同类型的厂商、高科技公司建立广泛而深入的合作伙伴。不论是OEM、整车厂还是自动驾驶解决方案商、高科技公司，在其系统方案中激光雷达都是非常重要的传感器，基于此可以和Luminar建立一个战略合作伙伴关系，透过高性能的激光雷达技术，提升自动驾驶解决方案的性能和稳定性。