2021年1月11日，Mobileye/英特爾正式發(fā)布了其FMCW激光雷達(dá)，準(zhǔn)確地說(shuō)是激光雷達(dá)SoC。

這款不足名片大小的芯片級(jí)激光雷達(dá)預(yù)計(jì)在2025年量產(chǎn)，同時(shí)量產(chǎn)的還有Mobileye的EyeQ6。一向做視覺(jué)處理器的Mobileye居然出了款激光雷達(dá)，令人頗為好奇。實(shí)際從英特爾的角度看，做激光雷達(dá)是順理成章的事。激光雷達(dá)某種意義上可以看做一種特殊的激光收發(fā)器，而英特爾在服務(wù)器領(lǐng)域有強(qiáng)大的光纖收發(fā)器產(chǎn)品線，英特爾在光電領(lǐng)域根基深厚，英特爾也推出了用于室內(nèi)環(huán)境的L515激光雷達(dá)，有效探距最遠(yuǎn)9米。2020年5月SPIE（國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)）大會(huì)上，英特爾光纖收發(fā)器事業(yè)部的工程師Jonathan K. Doylend對(duì)車載芯片級(jí)激光雷達(dá)做了詳細(xì)介紹。

與其他FMCW激光雷達(dá)不同之處在于英特爾的是真正固態(tài)，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，體積很小。

上市公司Aeva的FMCW激光雷達(dá)，雖然也說(shuō)自己有自研芯片，但那只是光調(diào)制芯片，仍然需要光波束轉(zhuǎn)向掃描器，可以選擇棱鏡、振鏡、旋轉(zhuǎn)鏡或MEMS，體積仍然龐大。

車頂4個(gè)Blackmore的FMCW激光雷達(dá)，體積也很龐大。 2017年英特爾申請(qǐng)了一個(gè)小型固態(tài)激光雷達(dá)的專利，基本上就是2021年這個(gè)芯片的介紹。

和圖片位置基本都可以一一對(duì)應(yīng)。

上圖為英特爾激光雷達(dá)光信號(hào)流程圖。

上圖為英特爾工程師Jonathan K.Doylend在SPIE大會(huì)上演講的PPT，實(shí)際與專利申請(qǐng)中的信號(hào)流程圖差不多。 FMCW激光雷達(dá)與我們現(xiàn)在常用的幾百人民幣的毫米波雷達(dá)原理完全相同。

即拍頻原理，有一個(gè)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出頻率隨時(shí)間呈三角波變化的信號(hào)給發(fā)射機(jī)（激光雷達(dá)發(fā)出信號(hào)），然后接收機(jī)接收這個(gè)頻率呈三角狀變化的信號(hào)，回波的頻率變化規(guī)律與發(fā)射的相同，但是存在時(shí)間延遲，這就導(dǎo)致相同時(shí)間的頻率有微小的差別。通過(guò)對(duì)兩個(gè)信號(hào)的拍頻測(cè)量就可以得到距離信息。

D為探測(cè)的距離，fb為頻率差，c為光速，ts為三角波調(diào)頻的半周期，fDEV為調(diào)頻范圍，所以現(xiàn)在距離在其他值確定的情況下是頻率差的函數(shù)，距離精度由上式?jīng)Q定。發(fā)射信號(hào)的重復(fù)周期T決定了激光雷達(dá)能實(shí)現(xiàn)的最大無(wú)模糊距離，只有在時(shí)間T或者更短的時(shí)間內(nèi)被接收到的回波信號(hào)才能解調(diào)出正確的距離信息。 距離分辨力：FMCW激光雷達(dá)的距離分辨力Sr(range resolution)代表該雷達(dá)單次測(cè)量中可區(qū)分的目標(biāo)間最小距離，單純地由光源調(diào)制帶寬B決定 ，并滿足：Sr≥c/(2B)； 角分辨力：FMCW激光雷達(dá)的角分辨力(angular resolution)指激光雷達(dá)在單次探測(cè)中把距離R相同但是相對(duì)角度不同的目標(biāo)區(qū)分開的能力，根據(jù)高斯光束的瑞利判據(jù)，光束發(fā)散角θ受到發(fā)射端準(zhǔn)直器的孔徑d與光載波波長(zhǎng)λ的影響，滿足θ=1.27λ/d；那么在測(cè)量距離為R時(shí)，可區(qū)分的徑向距離SA可表示為SA≥2R?sin(θ/2)。在工作波長(zhǎng)固定的前提下，為了提高角分辨能力，常用的方法是增加天線孔徑d以減小光束發(fā)散角。 距離測(cè)量與角測(cè)量的準(zhǔn)確度：FMCW激光雷達(dá)的距離測(cè)量準(zhǔn)確度(accuracy)代表雷達(dá)測(cè)得的距離分布的均值與真實(shí)距離之間的差距，其主要受到光源頻率調(diào)制的線性度和測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)的影響；角測(cè)量準(zhǔn)確度受到發(fā)射端掃描器件的角度準(zhǔn)確度影響。 距離測(cè)量與角測(cè)量的精度：FMCW激光雷達(dá)的距離測(cè)量與角測(cè)量結(jié)果的精度(precision)反映了雷達(dá)對(duì)同一目標(biāo)測(cè)量結(jié)果的一致性程度，受到光源的各參數(shù)穩(wěn)定度和角掃描重復(fù)性與最小步長(zhǎng)的影響。

測(cè)量速率：FMCW激光雷達(dá)的測(cè)量速率是指雷達(dá)獲得一個(gè)探測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間的倒數(shù)，其主要受限于調(diào)制信號(hào)重復(fù)速率，高重復(fù)速率代表了更快的測(cè)量刷新率與測(cè)量效率。但是值得注意的是，高重復(fù)速率和長(zhǎng)可探測(cè)距離不可兼得，需要考慮信號(hào)重復(fù)周期、接收端帶寬，ADC采樣速率和存儲(chǔ)器深度等限制因素并具體分析。 FMCW激光雷達(dá)的指標(biāo)主要受限于光源的性能參數(shù)：在接收端的相干檢測(cè)方法都比較成熟；由于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter，ADC)、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)等技術(shù)的快速發(fā)展，后端數(shù)據(jù)的采集和處理目前也不是整體指標(biāo)的瓶頸；所以如何產(chǎn)生性能優(yōu)越的光調(diào)頻信號(hào)成為了FMCW激光雷達(dá)研究者們關(guān)注的重點(diǎn)。根據(jù)調(diào)諧器件與激光器的關(guān)系，目前實(shí)現(xiàn)激光光載波頻率調(diào)制的方法可以分為內(nèi)調(diào)制技術(shù)和外調(diào)制技術(shù)兩種。內(nèi)調(diào)制技術(shù)是指調(diào)制過(guò)程與激光振蕩建立同時(shí)進(jìn)行的調(diào)制技術(shù)，通過(guò)調(diào)制改變激光腔的諧振參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)激光器輸出頻率的變化，主要包括調(diào)制諧振腔的光學(xué)長(zhǎng)度或改變腔內(nèi)的增益損耗譜位置等方式；外調(diào)制技術(shù)是指在激光振蕩建立之后，在激光射出的光路上使用調(diào)制器對(duì)光場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。 內(nèi)調(diào)制技術(shù)是指在激光建立的過(guò)程中使用調(diào)制信號(hào)去控制激光振蕩的某一參數(shù)，以達(dá)到控制激光的頻率，強(qiáng)度等參數(shù)的目的。其中激光振蕩的參數(shù)包括諧振腔腔長(zhǎng)、增益譜位置、腔內(nèi)損耗等，可以通過(guò)腔長(zhǎng)調(diào)諧，電流注入調(diào)諧等方式實(shí)現(xiàn)。

腔長(zhǎng)調(diào)諧多用于近距離高精度應(yīng)用，半導(dǎo)體激光器注入電調(diào)諧用于遠(yuǎn)距離場(chǎng)合。半導(dǎo)體激光器注入電流的變化改變了共振腔內(nèi)的折射率，從而使腔內(nèi)光程和諧振縱模模式都產(chǎn)生變化，實(shí)現(xiàn)了激光器輸出縱模波長(zhǎng)的調(diào)諧；腔外使用光電鎖相環(huán)技術(shù)，通過(guò)負(fù)反饋?zhàn)饔脤?shí)現(xiàn)了激光器頻率調(diào)諧的線性變化，保證了頻率調(diào)諧的高線性度。這種方案避免使用機(jī)械振動(dòng)的部件，完全電控可調(diào)，而且調(diào)諧方式簡(jiǎn)單。用于做成芯片，是目前業(yè)內(nèi)主要研發(fā)方向。但是由于半導(dǎo)體激光器本身的結(jié)電容限制了激光器的響應(yīng)速率以及腔內(nèi)光場(chǎng)建立時(shí)間的存在，使得可調(diào)諧范圍、調(diào)諧速率、輸出線寬等參數(shù)較難進(jìn)一步提高。 外調(diào)制技術(shù)是指在激光器外部使用調(diào)制器件對(duì)激光器輸出的強(qiáng)度頻率穩(wěn)定的連續(xù)激光進(jìn)行調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)控制激光光場(chǎng)強(qiáng)度、頻率、偏振、角動(dòng)量等參數(shù)的目的。對(duì)于激光線性調(diào)頻而言，目前應(yīng)用比較廣泛的是基于聲光效應(yīng)的聲光調(diào)制和基于電光效應(yīng)的電光調(diào)制兩種外調(diào)制方式，但是由于聲光調(diào)制的工作帶寬相對(duì)較窄，所以大多數(shù)外調(diào)制方案都采用電光調(diào)制器作為腔外的頻率調(diào)諧器件。但體積龐大，難以芯片化，主要用在非車載領(lǐng)域。 英特爾累積多年的光電半導(dǎo)體制造經(jīng)驗(yàn)，初創(chuàng)企業(yè)根本不能與其同日而語(yǔ)，差距超過(guò)20年以上，尤其是制造工藝的摸索，同時(shí)英特爾擁有龐大的產(chǎn)能。

在激光器方面，英特爾自然是沿用光纖激光器最常見的InP型，在硅晶圓表面等離子注入并綁定InP裸晶，然后離子蝕刻去除InP基板，只保留EPI即外延層，這是復(fù)合半導(dǎo)體的傳統(tǒng)工藝。英特爾稱之為Hybrid激光。

除了激光，接收光電二極管也是少見的硅鍺型，這是InP激光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的材料，激光調(diào)制方面還是傳統(tǒng)的硅。無(wú)源的如光纖濾波、分光器、合光器、MUX/Demux都采用英特爾先進(jìn)的12英寸硅晶圓CMOS工藝。

上圖為英特爾專利硅液晶波導(dǎo)

在掃描器方面，英特爾可能使用了液晶轉(zhuǎn)向波導(dǎo)技術(shù)。

當(dāng)液晶分子有序排列時(shí)表現(xiàn)出光學(xué)各向異性，光通過(guò)液晶時(shí)，會(huì)產(chǎn)生偏振面旋轉(zhuǎn)，雙折射等效應(yīng)。在兩塊玻璃板之間夾有正性向列相液晶，液晶分子的形狀如同火柴一樣，為棍狀。棍的長(zhǎng)度在十幾埃（1埃 =10-10米 ），直徑為4～6埃，液晶層厚度一般為5-8微米。玻璃板的內(nèi)表面涂有透明電極，電極的表面預(yù)先作了定向處理（可用軟絨布朝一個(gè)方向摩擦，也可在電極表面涂取向劑），這樣，液晶分子在透明電極表面就會(huì)躺倒在摩擦所形成的微溝槽里；使電極表面的液晶分子按一定方向排列，且上下電極上的定向方向相互垂直。上下電極之間的那些液晶分子因范德瓦爾斯力的作用，趨向于平行排列。然而由于上下電極上液晶的定向方向相互垂直，所以從俯視方向看，液晶分子的排列從上電極的沿－45度方向排列逐步地、均勻地扭曲到下電極的沿+45度方向排列，整個(gè)扭曲了90度。

在未加驅(qū)動(dòng)電壓的情況下，來(lái)自光源的自然光經(jīng)過(guò)偏振片P1后只剩下平行于透光軸的線偏振光，該線偏振光到達(dá)輸出面時(shí)，其偏振面旋轉(zhuǎn)了90°。這時(shí)光的偏振面與P2的透光軸平行，因而有光通過(guò)。首先在第A行加上高電平，其余行加上低電平，同時(shí)在列電極的對(duì)應(yīng)電極c、d 上加上低電平，于是A行的那些帶有方塊的像素就被顯示出來(lái)了。然后第B行加上高電平，其余行加上低電平，同時(shí)在列電極的對(duì)應(yīng)電極b、e 上加上低電平，因而B行的那些帶有方塊的像素被顯示出來(lái)了。然后是第C行、第D行……，以此類推，最后顯示出一整場(chǎng)的圖像。這種工作方式和傳統(tǒng)的機(jī)械激光雷達(dá)掃描完全一致。 微軟投資的Lumotive和國(guó)內(nèi)的速騰聚創(chuàng)對(duì)液晶光波導(dǎo)可轉(zhuǎn)向技術(shù)也很有興趣。

上圖是英特爾光波導(dǎo)與激光部分的剖面圖，得益于英特爾強(qiáng)大的光通訊半導(dǎo)體能力才能實(shí)現(xiàn)。 FMCW激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)除了信噪比高，功耗低外，還有一些優(yōu)勢(shì)，比如與距離物體遠(yuǎn)近不直接相關(guān)，區(qū)別于ToF激光雷達(dá)——越遠(yuǎn)測(cè)距準(zhǔn)確度越低；與物體運(yùn)動(dòng)速度（含激光雷達(dá)與物體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)）不直接相關(guān)， 相對(duì)運(yùn)動(dòng)越快，ToF測(cè)距準(zhǔn)確度越差，甚至出現(xiàn)物體畸變。 FMCW的缺點(diǎn)是成本高，其所有元件都需要具備超高精度，因?yàn)檎{(diào)諧頻率是THz級(jí)別的，這需要測(cè)量?jī)x器級(jí)的元件，這種元件供應(yīng)商極少，每個(gè)元件都需要高精度檢測(cè)，良率低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力即使將來(lái)量產(chǎn)，成本也居高不下。所有光學(xué)表面都必須在更嚴(yán)格的公差范圍內(nèi)，例如λ（波長(zhǎng)）/20。

這些元件可能非常昂貴，而且供應(yīng)商也很少。FMCW對(duì)ADC轉(zhuǎn)換速率的要求是ToF系統(tǒng)的2~4倍，精度要求更高。對(duì)FPGA的要求是能夠接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行超高速FFT轉(zhuǎn)換。 即使使用ASIC，F(xiàn)MCW系統(tǒng)所需的處理系統(tǒng)復(fù)雜度（和成本）也是ToF系統(tǒng)的十倍。即使FMCW激光雷達(dá)達(dá)到百萬(wàn)級(jí)出貨量，成本仍難低于500美元，相對(duì)于Flash和MEMS激光雷達(dá)，這個(gè)價(jià)格還是略高。 除了成本，F(xiàn)MCW雖然沒(méi)有了外界因素的干擾，但自身會(huì)帶來(lái)新的干擾，和毫米波雷達(dá)一樣，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)需要考慮旁瓣的干擾，F(xiàn)MCW系統(tǒng)依靠基于窗函數(shù)的旁瓣抑制來(lái)解決自干擾（雜波），該干擾遠(yuǎn)不如沒(méi)有旁瓣的ToF系統(tǒng)健壯。為了提供背景信息，一束10微秒的FMCW脈沖可以在1.5公里范圍內(nèi)徑向傳播。在此范圍內(nèi)，任何對(duì)象都將陷入快速傅里葉變換（時(shí)間）旁瓣。即使是更短的1微秒FMCW脈沖也可能會(huì)被150米外的高強(qiáng)度雜波破壞。第一個(gè)矩形窗口快速傅里葉變換（FFT）的旁瓣是大家所知的-13dB，遠(yuǎn)高于獲得優(yōu)質(zhì)點(diǎn)云所需要的水平。

此外，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)有輕微延遲的問(wèn)題，這是相干檢測(cè)天生的缺陷，無(wú)法改變。 FMCW激光雷達(dá)的成熟度仍然是個(gè)問(wèn)題，連英特爾這樣的巨頭都將量產(chǎn)定在2025年，初創(chuàng)公司只會(huì)更晚，這不像是傳統(tǒng)CMOS芯片可以找人代工，這是復(fù)雜的復(fù)合半導(dǎo)體芯片，必須長(zhǎng)時(shí)間摸索制造工藝。 專注于傳統(tǒng)視覺(jué)處理器的Mobileye都傾力激光雷達(dá)，這正說(shuō)明了視覺(jué)領(lǐng)域可挖掘的空間越來(lái)越小，而激光雷達(dá)的地位從質(zhì)疑是否有存在的必要，到該用什么樣的激光雷達(dá)。激光雷達(dá)這種主動(dòng)傳感器，技術(shù)挖掘潛力巨大，未來(lái)足以與傳統(tǒng)視覺(jué)傳感器平起平坐，甚至壓倒傳統(tǒng)視覺(jué)傳感器。

原文標(biāo)題：Mobileye/英特爾激光雷達(dá)剖析

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