659
全數(shù)字化，是必然之路。
2月24日上午，當(dāng)人形機(jī)器人公司的機(jī)器人“青龍”手中接過(guò)一臺(tái)RoboSense速騰聚創(chuàng)的激光雷達(dá)E1R，也就是RoboSense速騰聚創(chuàng)下線的第100萬(wàn)臺(tái)激光雷達(dá)，一個(gè)“數(shù)字化”意味的事件定格了。
“激光雷達(dá)已全面進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代?！边@是RoboSense速騰聚創(chuàng)CEO邱純潮在2025“Hello Robot”發(fā)布會(huì)上，提出的宣告。邱純潮還表示：“在全面數(shù)字化之后，激光雷達(dá)已經(jīng)收斂到一個(gè)成熟穩(wěn)定的架構(gòu)中，即將在汽車(chē)、機(jī)器人與無(wú)人機(jī)市場(chǎng)加速滲透和普及?！?/p>
不過(guò)，被全視覺(jué)路線逼到墻角的激光雷達(dá)還有戲嗎？還有，怎么才叫數(shù)字化的激光雷達(dá)呢？
1、從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)
從光的波粒二象性來(lái)說(shuō)，數(shù)字化的激光雷達(dá)就是用數(shù)字方法檢測(cè)和處理光子信息，而不是此前的用連續(xù)“波”探測(cè)。從波到光子，這是一個(gè)質(zhì)的飛躍。這相當(dāng)于照相機(jī)從膠片機(jī)進(jìn)化到數(shù)碼相機(jī)。
核心環(huán)節(jié)，在于采用能以單光子形態(tài)檢測(cè)激光的“單光子雪崩二極管”SPAD（Single Photon Avalanche Diode）。理論上而言，SPAD擁有“無(wú)窮大增益”。
SPAD的工作原理是，當(dāng)一個(gè)光子被探測(cè)器吸收后，能夠觸發(fā)一個(gè)雪崩效應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)可以被檢測(cè)到的電信號(hào)。然后，在接收端直接輸出數(shù)字信號(hào)，達(dá)成信號(hào)感知的數(shù)字化。目前的行業(yè)水平，單光子探測(cè)器的探測(cè)效率在10%左右，后續(xù)這個(gè)數(shù)值應(yīng)該能逐步提升到20%、30%。
這種高靈敏度的光電探測(cè)器件，能夠在非常低的光照水平下檢測(cè)單個(gè)光子。而且，省去了“模擬-數(shù)字”轉(zhuǎn)換過(guò)程，提升了分辨率、精度、集成度以及感知融合能力。同時(shí)，也避免了模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中可能引入的噪聲、失真和量化誤差等問(wèn)題，有效保障信號(hào)傳輸的完整性和處理的準(zhǔn)確性。
另外，SPAD芯片的采樣時(shí)間分辨率可達(dá)到幾十皮秒級(jí)（1萬(wàn)億分之一秒），這對(duì)以檢測(cè)飛行時(shí)間差為基本工作原理的激光雷達(dá)而言至關(guān)重要。
換句話(huà)說(shuō)，無(wú)論是此前的主流探測(cè)器APD，還是當(dāng)前的主流探測(cè)器SiPM（硅基光電倍增管，Silicon photomultiplier），輸出的信號(hào)都是模擬信號(hào)，而SPAD輸出的則是數(shù)字信號(hào)。
不僅如此，SPAD輸出的數(shù)字信號(hào)的處理、儲(chǔ)存、乃至激光器件的控制，均可憑借算法集成到芯片上進(jìn)行，在提高運(yùn)算效率的同時(shí)，降低了對(duì)物理零部件的依賴(lài)。
而此前，模擬信號(hào)的信息采集往往需要復(fù)雜的多顆獨(dú)立芯片精密配合，成本高、體積大。同時(shí)，信號(hào)的分辨能力弱、解析力差，能量的使用效率也低，最終結(jié)果就是功耗高，以及很難被小型化集成。
APD器件是這樣，SiPM器件也是如此，需要把激光器發(fā)射功率做得很高、光學(xué)系統(tǒng)的尺寸做得很大。而SPAD從光子進(jìn)入到轉(zhuǎn)化為電信號(hào)都是數(shù)字化的，規(guī)避了這些弱點(diǎn)，體積上的小型化集成也就順理成章了。
2、大面陣和小面陣
眾所周知，激光雷達(dá)的芯片化是其未來(lái)發(fā)展的三大趨勢(shì)之一。
激光雷達(dá)的芯片化程度越高、芯片的集成度越高，成本就越低。在dToF（Direct Time of Flight）激光雷達(dá)中，業(yè)內(nèi)取得共識(shí)并默認(rèn)的是，芯片化的VCSEL+SPAD面陣是降本的大方向。
其中，雖然近幾年國(guó)內(nèi)有很多家VCSEL芯片供應(yīng)商進(jìn)入成熟量產(chǎn)階段，可以提供比較豐富的選擇，但SPAD芯片技術(shù)主要掌握在索尼、濱松、安森美等國(guó)際供應(yīng)商里。尤其是用于車(chē)載激光雷達(dá)的大面陣SPAD芯片，只有“繞不過(guò)去”的索尼IMX459。
不過(guò)，從這次1月份速騰聚創(chuàng)發(fā)布的數(shù)字化激光雷達(dá)來(lái)看，亮點(diǎn)也在于突破了大面陣技術(shù)難關(guān)，成功自研出全球首款激光雷達(dá)專(zhuān)用數(shù)字化SPAD-SoC芯片M-Core，并實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)（只是，很重要的產(chǎn)品良率多少，目前不知道）。另外，比較好奇的是，禾賽科技最近官宣自研的SPAD達(dá)到什么水平。
轉(zhuǎn)回來(lái)說(shuō)，什么叫大面陣和小面陣呢？
根據(jù)此前九章智駕對(duì)識(shí)光芯科團(tuán)隊(duì)的采訪，識(shí)光團(tuán)隊(duì)的解釋是，大面陣與小面陣的關(guān)鍵區(qū)別在于應(yīng)用場(chǎng)景、分辨率和探測(cè)距離，以及內(nèi)部集成度和設(shè)計(jì)難度上的差異。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，大面陣主要面向車(chē)載場(chǎng)景，而小面陣主要面向手機(jī)等消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品。大面陣既要分辨率足夠高，又要探測(cè)距離足夠長(zhǎng)，還要信噪比較低，這對(duì)數(shù)據(jù)采集和處理都提出了很高的要求。
小面陣 SPAD 只需要完成光信號(hào)的原始數(shù)據(jù)采集，信號(hào)處理可以交給外部處理器（手機(jī)和掃地機(jī)器人普遍都是這個(gè)架構(gòu)），但車(chē)規(guī)大面陣就不行。
車(chē)規(guī)大面陣的原始數(shù)據(jù)量往往是消費(fèi)類(lèi)小面陣的千倍甚至萬(wàn)倍以上，能達(dá)到幾百GB/秒甚至TB/秒的量級(jí)，以目前的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)帶寬，遠(yuǎn)不夠處理如此巨大的數(shù)據(jù)量。
所以，大面陣產(chǎn)生的數(shù)據(jù)必須在“本地”由芯片自己先處理完，然后再把提取出來(lái)的距離和信號(hào)特征信息傳輸給域控制器。
還有，大面陣的芯片尺寸本身也帶來(lái)了物理層面的挑戰(zhàn)。信號(hào)通路，供電網(wǎng)絡(luò)、時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)、發(fā)熱管理、DFM等一系列問(wèn)題，都需要解決。
其中，“芯片設(shè)計(jì)面對(duì)的本質(zhì)上是一個(gè)二維的平面的世界，伴隨芯片面積的增加，信號(hào)通路的擁擠程度是幾何級(jí)數(shù)上升的。而且，面陣芯片中的2D尋址（專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)）又會(huì)將設(shè)計(jì)難度推向一個(gè)新的高度?！?/p>
包括2D尋址和3D堆疊技術(shù)，都是需要攻克的難關(guān)。而隨著禾賽科技、速騰聚創(chuàng)等中國(guó)企業(yè)的技術(shù)突破，激光雷達(dá)的未來(lái)發(fā)展非?？善?。
3、905nm勝出？
還有一個(gè)很有意思的事，數(shù)字化的激光雷達(dá)還涉及到激光收發(fā)系統(tǒng)的905nm和1550nm路線之爭(zhēng)。
而前面所說(shuō)的SPAD，是根據(jù)系統(tǒng)集成度的不同，已進(jìn)入量產(chǎn)階段的TOF激光雷達(dá)的激光發(fā)射系統(tǒng)可分為EEL（邊發(fā)射激光芯片）和VCSEL（面發(fā)射激光芯片），接收系統(tǒng)可分為APD與SPAD。
根據(jù)光源波長(zhǎng)的不同，激光收發(fā)系統(tǒng)則主要分為905nm與1550nm兩個(gè)大類(lèi)。雖說(shuō)根據(jù)業(yè)內(nèi)人士的說(shuō)法，“車(chē)企現(xiàn)在對(duì)905nm和1550nm都不是特別滿(mǎn)意?！钡?，站在第三方的角度來(lái)看，目前是905nm路線占主流。
業(yè)內(nèi)的說(shuō)法是“FMCW（frequency-modulated continuous-wave，調(diào)頻連續(xù)波）天然是1550nm”，但是目前車(chē)端所用、頭部企業(yè)量產(chǎn)的還是dTOF。也就是說(shuō)，F(xiàn)MCW陣營(yíng)所采用的1550nm路線目前在車(chē)端還處于非主流狀態(tài)。
一個(gè)重要的區(qū)別是，905nm用的是半導(dǎo)體激光器，而1550nm采用的則是光纖激光器，從目前來(lái)看，雖然1550nm波段在激光雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用要早于905nm，然而行業(yè)的硅基基礎(chǔ)決定了，半導(dǎo)體激光器落地要容易得多。這也是905nm勝出的根本原因。
還有，這兩種激光器在原理上的差異也影響到了電光轉(zhuǎn)換效率（激光雷達(dá)將電能轉(zhuǎn)換為光波的效率）。
目前行業(yè)內(nèi)的共識(shí)是，總體上，1550nm的電光轉(zhuǎn)換效率比905nm低。
據(jù)禾賽提供的數(shù)據(jù)，905nm的VCSEL激光器的電光轉(zhuǎn)化效率在消費(fèi)類(lèi)電子里面可能達(dá)到40%，在激光雷達(dá)里面接近20%，而1550nm的電光轉(zhuǎn)換效率則只有10%出頭。
而且，綜合業(yè)內(nèi)的分析，1550nm激光器功耗高、散熱難這個(gè)問(wèn)題目前基本上是無(wú)解的。因而，其功耗也無(wú)法降低至跟905nm同等的水平。
按禾賽的說(shuō)法，能享受到單光子探測(cè)器SPAD這一紅利的，主要是905nm，1550nm要做成車(chē)載環(huán)境下可正常使用的單光子探測(cè)器“難度極大”。
所以，從目前來(lái)看，激光雷達(dá)的數(shù)字化建立在SPAD的基礎(chǔ)上，算是天時(shí)地利人和。畢竟，經(jīng)由SPAD輸出的規(guī)整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，天然具備和數(shù)字圖片的像素?cái)?shù)據(jù)融合的優(yōu)勢(shì)，直接輸出的高質(zhì)量數(shù)字信號(hào)，也更容易和IMU等其他傳感器數(shù)據(jù)融合。
此外，非常重要的一點(diǎn)在于，這些產(chǎn)出的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以直接輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參與AI算法，甚至和時(shí)空維度上精準(zhǔn)對(duì)齊的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，開(kāi)啟“3D主動(dòng)視覺(jué)+AI”的無(wú)限想象空間。
總之，激光雷達(dá)進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代后，隨著成本不斷降低，全視覺(jué)路線的沖擊和威脅反而越來(lái)越小。這也為激光雷達(dá)的后續(xù)發(fā)展鋪平了道路?？梢哉f(shuō)，激光雷達(dá)的數(shù)字化，太重要了。
作者丨王小西
責(zé)編丨北? ?岸
編輯丨王? ?越
