如果1550nm更好,那为啥多数车载激光雷达,仍在用905nm波长?

董昭聊科技 2024-09-03 16:48:36

最近看到好多《黑神话 悟空》的消息,总能让我回想起,孙悟空那双像激光雷达一样的火眼金睛。

这期,Roy本来想聊的是《激光雷达瘦身记》,分享下最近对“车载激光雷达”降本的观察与思考。没料到,激光雷达相关内容,过于丰富,Roy刚写没多久,就发现跑题了。

索性,一不做二不休,跑偏就跑偏吧,咱顺势先聊下:车载激光雷达的波长之争。(1550nm vs 905nm)

背景 & 闲白

本质上,激光雷达,毫米波雷达和超声波雷达,都属一类选手,只是它们所用的频率不同罢了。频率越高,复杂度越高,价格通常也就越贵。

说到车载激光雷达,有人说它是L3及以上智驾的必备武器,也有人说它是智驾的“拐杖”,是没用的“盲肠”,一定会被“4D毫米波雷达”+“纯视觉方案”踢出牌桌。

但空口白牙,终究略显苍白。那咱再看看数据,不看不知道,一看吓一跳:从2022年到今天,无论在国内还是全球,激光雷达每年的增长率,都在50%以上。这是不是和你想的不太一样?

同时,咱国产激光雷达厂家,也在强势崛起,一路杀将过来,把市场价格从数万美元打到了几百美元。科技平权,指日可待。

据最新公开市场报告显示:禾赛、速腾聚创、图达通、华为、览沃加一起,已占全球85%的市场。

至于未来Lidar会不会消亡,咱不知道,但至少从这个势头来看,它还在增长的劲头上。这是因为Robotaxi起势了,还是智驾要开始上难度了?这里咱先按下不表,为了不再次跑题,下面咱正经开聊:车载激光雷达中,波长那点儿事儿。

当下,车载激光雷达的主流波长,是905nm和1550nm。它们孰强孰弱,业内众说纷纭,莫衷一是。

对这个问题,Roy内心其实是有确定答案的(个人观点),为方便表述,咱对905nm和1550nm这两位选手,做个优劣分析。

1550nm的诱惑

一、人眼安全。1550nm很容易被液态水吸收。很多时候,它还没达到视网膜,就被眼球里的水分给吸收掉了。因此它对人眼安全的影响也更小,相比之下,1550nm可轻松实现Class 1的Eye Safe激光安全等级。

二、看得远。刚刚提到了,相比于905nm,同等功率下的1550nm激光有更高的人眼安全性,因此,在确保人眼安全的前提下,它也可在更高的发射功率下工作,从而实现更远的探测距离。本来它的波长就更长,有更强的绕射能力,这下就更是如虎添翼了。

实际情况,也确实如此,市面上基于1550nm激光的方案,通常都可轻松做到300米以上的探测距离。而多数905nm方案,一般不会超过200米。

三、更聚焦的光束。1550nm的发射要用光纤激光器,其光束发散角比905nm的发光面小得多,这也使得其光斑密度极高,抗干扰能力很强。也正因为如此,很多高端测绘用的激光雷达,用的就是1550nm。

同样也是由于这一点,它也更容易实现FMCW技术,有望给激光雷达的点云数据,再叠加上速度信息。

看到这,你是不是觉得,1550nm简直是车载激光雷达的“天选之子”,就它了。朋友,请接着往下看。

1550nm之哀伤

一、怕水。成也萧何,败也萧何。由于1550nm容易被液态水吸收,这也意味着很多时候,它在发出后,可能无法被正常反射回来。比如在雨雪天,1550nm的激光很容易被吃掉,从而无法正常工作。

再比如,当地面车道线上有水时(如刚下过雨、洒水车),使用1550nm的激光雷达,探测能力也可能会直线下降。

二、转换效率低。抛开剂量谈毒性都是耍流氓。咱刚说了,1550nm的激光,可用更大的功率工作而不伤人眼。但别忘了,咱还得考虑一件事,那就是转换效率。

电光转换效率(TX):咱知道,光的波长越长,频率就越低,其每一个光子的能量就越低,相应地,载流子吸收也就越多,损耗也更大,因此,1550nm的能量效率天然就没有905高。如此,它的大功率,也得打个折扣了。

光电转换效率(RX):同时,1550nm的接收端,也用不了SPAD或SiPM,只能用铟镓砷(InGaAs)APD配对用,其光学敏感度远低于SPAD,因此光电转换效率又得打个折扣。

三、挑食的罪过。

虽说高端测绘领域,多用1550nm,但别忘了,那是成本和ID都不Care的高端。但在内卷到出血的汽车市场,比的就是谁更接地气了。这么看,1550nm就有点挑食了,其发射和接收系统,都需要用到昂贵的铟镓砷材料(普通硅搞不定)。

由于得上光纤发射器,这种激光器很贵,结构复杂、且功耗高。高功耗就意味着对散热要求很高,这使得基于1550nm的Lidar很难堆多个激光发射器,大多数1550nm的激光雷达只能集成一个激光发射器。

这就麻烦了,只有一个激光发射器,意味着如果要实现半固体激光扫描,就得上二维转镜,二维转镜靠转镜+振镜实现水平和垂直方向的扫描,它的扫描部件的机械运动频率和故障率,会远超一维转镜结构(905nm常用),寿命和稳定性也需额外考虑。

更麻烦的是,由于只有一个或两个光纤激光器,那所有点云都得靠它。和几十上百个激光器的905nm激光雷达相比,1550nm的激光器负荷更重(905激光器的几十倍),且安全压力也很大,一旦这唯一或唯二的激光器出问题了,整个Lidar就不工作了。

看到这,你是不是觉得鱼和熊掌,不可兼得,有点纠结呢?朋友,接着往下看。

905nm的实力

一、富二代生态。

905nm 激光器发展比较早,与消费电子共用产业链。905nm常用的发射器(VCSEL)和硅基单光子探测器(SiPM)在消费类电子领域,也已被大量充分验证。(手机上的ToF传感器,与905nm基本属同体系)

905nm波长的激光雷达不仅应用于车载领域,还广泛用于短距离测距、障碍物检测、工业自动化、室内导航、机器人技术等多个领域。

也正因为此,其相关配套设备、供应链也更成熟完善,方便实现规模化生产,更便宜。

二、硅基势力的安全感。

905nm的激光雷达可用硅基材料(硅比铟镓砷便宜多了),硅基光电探测器的制造工艺,可谓是相当成熟了,每年过亿的生产规模,无论在可靠性,还是成本上,都有得天独厚的时间壁垒。

另外,由于905nm的激光雷达可全链条硅基实现,在系统集成和PCBA上就太舒服了,VCSEL、驱动器和SPAD等器件,完全可以像芯片一样做堆叠。简单实用又方便,因此也能把部件的尺寸和功耗都控制在较小的范围内,更便于上车。

经多年的发展后,905nm的激光雷达技术成熟度值得信赖,相关的技术难题与坑,也早都被趟过多少次了,基本都有对应的解决方案。

三、一白遮百丑。

先天。与1550nm相比,905nm的激光在空气中更稳定,不易受到液态水等环境的影响,这也在一定程度上,提高了其测距和避障的安全性。

人眼安全:虽然905nm的激光,相对1550nm来说,在人眼安全方面的限制更严格。但咱只要把功率控制在安全范围内,也能符合相关安全法规,不会对人体眼睛造成伤害。(一般905nm激光雷达功率不会超过15瓦,而1550nm功率常会超过30瓦)

探测距离:虽然同等功率下,905nm的探测距离可能不如 1550nm,但对于大多数的车载应用场景而言,也已能够满足需求了。一般来说,现在的905nm 激光雷达对 10% 反射率物体的探测距离可以达到200米左右,而且随着SiPM/SPAD光学效率的提升,其探测距离还在继续扩展。

说到这,你或许对 “如果1550nm更好,为啥多数车载激光雷达,仍在用905nm波长?” 这个话题,有自己的理解了。

无论如何,谁能笑到最后,还和整个智驾算法、数据体系、以及未来行业资金的流向都有很大的关系。但不变的是,我们在不断逼近那个完美答案。而且在那个答案中,中国元素正在冉冉升起。

End

Roy个人观点,仅供参考。

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