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，而英特爾在服務器領域有強大的光纖收發(fā)器產(chǎn)品線，英特爾在光電領域根基深厚，英特爾也推出了用于室內環(huán)境的 L515 激光雷達，有效探距最遠 9 米。2020 年 5 月 SPIE（國際光學工程學會）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，但那只是光調制芯片，仍然需要光波束轉向掃描器，可以選擇棱鏡、振鏡、旋轉鏡或 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。

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 為三角波調頻的半周期，fDEV 為調頻范圍，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 或者更短的時間內被接收到的回波信號才能解調出正確的距離信息。 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)分的目標間最小距離，單純地由光源調制帶寬 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確度：FMCW 激光雷達的距離測量準確度(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制的線性度和測量系統(tǒng)校準的影響；角測量準確度受到發(fā)射端掃描器件的角度準確度影響。 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果的精度(precision)反映了雷達對同一目標測量結果的一致性程度，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)，其主要受限于調制信號重復速率，高重復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，高重復速率和長可探測距離不可兼得，需要考慮信號重復周期、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)轉換器(analog to digital converter，ADC)、數(shù)字信號處理(DSP)等技術的快速發(fā)展，后端數(shù)據(jù)的采集和處理目前也不是整體指標的瓶頸；所以如何產(chǎn)生性能優(yōu)越的光調頻信號成為了 FMCW 激光雷達研究者們關注的重點。根據(jù)調諧器件與激光器的關系，目前實現(xiàn)激光光載波頻率調制的方法可以分為內調制技術和外調制技術兩種。內調制技術是指調制過程與激光振蕩建立同時進行的調制技術，通過調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，主要包括調制諧振腔的光學長度或改變腔內的增益損耗譜位置等方式；外調制技術是指在激光振蕩建立之后，在激光射出的光路上使用調制器對光場參數(shù)進行調制的技術。 內調制技術是指在激光建立的過程中使用調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、腔內損耗等，可以通過腔長調諧，電流注入調諧等方式實現(xiàn)。腔長調諧多用于近距離高精度應用，半導體激光器注入電調諧用于遠距離場合。

半導體激光器注入電流的變化改變了共振腔內的折射率，從而使腔內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諧；腔外使用光電鎖相環(huán)技術，通過負反饋作用實現(xiàn)了激光器頻率調諧的線性變化，保證了頻率調諧的高線性度。這種方案避免使用機械振動的部件，完全電控可調，而且調諧方式簡單。用于做成芯片，是目前業(yè)內主要研發(fā)方向。但是由于半導體激光器本身的結電容限制了激光器的響應速率以及腔內光場建立時間的存在，使得可調諧范圍、調諧速率、輸出線寬等參數(shù)較難進一步提高。 外調制技術是指在激光器外部使用調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。

對于激光線性調頻而言，目前應用比較廣泛的是基于聲光效應的聲光調制和基于電光效應的電光調制兩種外調制方式，但是由于聲光調制的工作帶寬相對較窄，所以大多數(shù)外調制方案都采用電光調制器作為腔外的頻率調諧器件。但體積龐大，難以芯片化，主要用在非車載領域。 英特爾累積多年的光電半導體制造經(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，這是復合半導體的傳統(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 激光波長對應的材料，激光調制方面還是傳統(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

在掃描器方面，英特爾可能使用了液晶轉向波導技術。

當液晶分子有序排列時表現(xiàn)出光學各向異性，光通過液晶時，會產(chǎn)生偏振面旋轉，雙折射等效應。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。玻璃板的內表面涂有透明電極，電極的表面預先作了定向處理（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 和國內的速騰聚創(chuàng)對液晶光波導可轉向技術也很有興趣。

上圖是英特爾光波導與激光部分的剖面圖，得益于英特爾強大的光通訊半導體能力才能實現(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，區(qū)別于 ToF 激光雷達——越遠測距準確度越低；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， 相對運動越快，ToF 測距準確度越差，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。所有光學表面都必須在更嚴格的公差范圍內，例如λ（波長）/20。這些元件可能非常昂貴，而且供應商也很少。FMCW 對 ADC 轉換速率的要求是 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 轉換。 即使使用 ASIC，F(xiàn)MCW 系統(tǒng)所需的處理系統(tǒng)復雜度（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 公里范圍內徑向傳播。在此范圍內，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，這是復雜的復合半導體芯片，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，這正說明了視覺領域可挖掘的空間越來越小，而激光雷達的地位從質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。