Mobileye英特爾激光雷達剖析

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

這款不足名片大小的芯片級激光雷達預(yù)計在 2025 年量產(chǎn)，同時量產(chǎn)的還有 Mobileye 的 EyeQ6。一向做視覺處理器的 Mobileye 居然出了款激光雷達，令人頗為好奇。實際從英特爾的角度看，做激光雷達是順理成章的事。激光雷達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，有效探距最遠 9 米。2020 年 5 月 SPIE（國際光學(xué)工程學(xué)會）大會上，英特爾光纖收發(fā)器事業(yè)部的工程師 Jonathan K. Doylend 對車載芯片級激光雷達做了詳細介紹。

與其他 FMCW 激光雷達不同之處在于英特爾的是真正固態(tài)，沒有運動部件，體積很小。

上市公司 Aeva 的 FMCW 激光雷達，雖然也說自己有自研芯片，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 Blackmore 的 FMCW 激光雷達，體積也很龐大。2017 年英特爾申請了一個小型固態(tài)激光雷達的專利，基本上就是 2021 年這個芯片的介紹。

和圖片位置基本都可以一一對應(yīng)。

上圖為英特爾激光雷達光信號流程圖。

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

即拍頻原理，有一個信號發(fā)生器發(fā)出頻率隨時間呈三角波變化的信號給發(fā)射機（激光雷達發(fā)出信號），然后接收機接收這個頻率呈三角狀變化的信號，回波的頻率變化規(guī)律與發(fā)射的相同，但是存在時間延遲，這就導(dǎo)致相同時間的頻率有微小的差別。通過對兩個信號的拍頻測量就可以得到距離信息。

D 為探測的距離，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)射信號的重復(fù)周期 T 決定了激光雷達能實現(xiàn)的最大無模糊距離，只有在時間 T 或者更短的時間內(nèi)被接收到的回波信號才能解調(diào)出正確的距離信息。 距離分辨力：FMCW 激光雷達的距離分辨力 Sr(range resolution)代表該雷達單次測量中可區(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 激光雷達的角分辨力(angular resolution)指激光雷達在單次探測中把距離 R 相同但是相對角度不同的目標(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λ的影響，滿足θ=1.27λ/d；那么在測量距離為 R 時，可區(qū)分的徑向距離 SA 可表示為 SA≥2R⋅sin(θ/2)。在工作波長固定的前提下，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。 距離測量與角測量的準(zhǔn)確度：FMCW 激光雷達的距離測量準(zhǔn)確度(accuracy)代表雷達測得的距離分布的均值與真實距離之間的差距，其主要受到光源頻率調(diào)制的線性度和測量系統(tǒng)校準(zhǔn)的影響；角測量準(zhǔn)確度受到發(fā)射端掃描器件的角度準(zhǔn)確度影響。 距離測量與角測量的精度：FMCW 激光雷達的距離測量與角測量結(jié)果的精度(precision)反映了雷達對同一目標(biāo)測量結(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)性與最小步長的影響。 測量速率：FMCW 激光雷達的測量速率是指雷達獲得一個探測數(shù)據(jù)的時間的倒數(shù)，其主要受限于調(diào)制信號重復(fù)速率，高重復(fù)速率代表了更快的測量刷新率與測量效率。但是值得注意的是，高重復(fù)速率和長可探測距離不可兼得，需要考慮信號重復(fù)周期、接收端帶寬，ADC 采樣速率和存儲器深度等限制因素并具體分析。

FMCW 激光雷達的指標(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)頻信號成為了 FMCW 激光雷達研究者們關(guān)注的重點。根據(jù)調(diào)諧器件與激光器的關(guān)系，目前實現(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)制過程與激光振蕩建立同時進行的調(diào)制技術(shù)，通過調(diào)制改變激光腔的諧振參數(shù)，從而實現(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)制器對光場參數(shù)進行調(diào)制的技術(shù)。 內(nèi)調(diào)制技術(shù)是指在激光建立的過程中使用調(diào)制信號去控制激光振蕩的某一參數(shù)，以達到控制激光的頻率，強度等參數(shù)的目的。其中激光振蕩的參數(shù)包括諧振腔腔長、增益譜位置、腔內(nèi)損耗等，可以通過腔長調(diào)諧，電流注入調(diào)諧等方式實現(xiàn)。腔長調(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)諧用于遠距離場合。

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，實現(xiàn)了激光器輸出縱模波長的調(diào)諧；腔外使用光電鎖相環(huán)技術(shù)，通過負反饋作用實現(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械振動的部件，完全電控可調(diào)，而且調(diào)諧方式簡單。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)光場建立時間的存在，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)制器件對激光器輸出的強度頻率穩(wěn)定的連續(xù)激光進行調(diào)制，以實現(xiàn)控制激光光場強度、頻率、偏振、角動量等參數(shù)的目的。

對于激光線性調(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，初創(chuàng)企業(yè)根本不能與其同日而語，差距超過 20 年以上，尤其是制造工藝的摸索，同時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 激光波長對應(yīng)的材料，激光調(diào)制方面還是傳統(tǒng)的硅。無源的如光纖濾波、分光器、合光器、MUX/Demux 都采用英特爾先進的 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表現(xiàn)出光學(xué)各向異性，光通過液晶時，會產(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，整個扭曲了 90 度。

在未加驅(qū)動電壓的情況下，來自光源的自然光經(jīng)過偏振片 P1 后只剩下平行于透光軸的線偏振光，該線偏振光到達輸出面時，其偏振面旋轉(zhuǎn)了 90°。這時光的偏振面與 P2 的透光軸平行，因而有光通過。首先在第 A 行加上高電平，其余行加上低電平，同時在列電極的對應(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了。然后第 B 行加上高電平，其余行加上低電平，同時在列電極的對應(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了。然后是第 C 行、第 D 行……，以此類推，最后顯示出一整場的圖像。這種工作方式和傳統(tǒng)的機械激光雷達掃描完全一致。 微軟投資的 Lumotive 和國內(nèi)的速騰聚創(chuàng)對液晶光波導(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，得益于英特爾強大的光通訊半導(dǎo)體能力才能實現(xiàn)。 FMCW 激光雷達的優(yōu)勢除了信噪比高，功耗低外，還有一些優(yōu)勢，比如與距離物體遠近不直接相關(guān)，區(qū)別于 ToF 激光雷達——越遠測距準(zhǔn)確度越低；與物體運動速度（含激光雷達與物體間相對運動）不直接相關(guān)， 相對運動越快，ToF 測距準(zhǔn)確度越差，甚至出現(xiàn)物體畸變。 FMCW 的缺點是成本高，其所有元件都需要具備超高精度，因為調(diào)諧頻率是 THz 級別的，這需要測量儀器級的元件，這種元件供應(yīng)商極少，每個元件都需要高精度檢測，良率低，費時費力即使將來量產(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）/20。這些元件可能非常昂貴，而且供應(yīng)商也很少。FMCW 對 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 FPGA 的要求是能夠接收數(shù)據(jù)并進行超高速 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 激光雷達達到百萬級出貨量，成本仍難低于 500 美元，相對于 Flash 和 MEMS 激光雷達，這個價格還是略高。 

除了成本，F(xiàn)MCW 雖然沒有了外界因素的干擾，但自身會帶來新的干擾，和毫米波雷達一樣，F(xiàn)MCW 激光雷達需要考慮旁瓣的干擾，F(xiàn)MCW 系統(tǒng)依靠基于窗函數(shù)的旁瓣抑制來解決自干擾（雜波），該干擾遠不如沒有旁瓣的 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)，任何對象都將陷入快速傅里葉變換（時間）旁瓣。即使是更短的 1 微秒 FMCW 脈沖也可能會被 150 米外的高強度雜波破壞。第一個矩形窗口快速傅里葉變換（FFT）的旁瓣是大家所知的 -13dB，遠高于獲得優(yōu)質(zhì)點云所需要的水平。

此外，F(xiàn)MCW 激光雷達有輕微延遲的問題，這是相干檢測天生的缺陷，無法改變。 FMCW 激光雷達的成熟度仍然是個問題，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，必須長時間摸索制造工藝。 專注于傳統(tǒng)視覺處理器的 Mobileye 都傾力激光雷達，這正說明了視覺領(lǐng)域可挖掘的空間越來越小，而激光雷達的地位從質(zhì)疑是否有存在的必要，到該用什么樣的激光雷達。激光雷達這種主動傳感器，技術(shù)挖掘潛力巨大，未來足以與傳統(tǒng)視覺傳感器平起平坐，甚至壓倒傳統(tǒng)視覺傳感器。