汽車(chē)市場(chǎng)對視覺(jué)、雷達和LiDAR（激光雷達）傳感器的需求不斷增長(cháng)，因為這些傳感器能夠實(shí)現先進(jìn)輔助駕駛（ADAS）和自動(dòng)/無(wú)人駕駛功能，不僅如此，汽車(chē)制造商還對傳感器供應商提出了更加苛刻的新要求。

 

LiDAR、雷達以及圖像傳感器是未來(lái)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的核心支柱，圖片引自《汽車(chē)MEMS和傳感器市場(chǎng)及技術(shù)趨勢-2017版》

 

汽車(chē)市場(chǎng)對供應商的要求一直很高。OEM廠(chǎng)商為了實(shí)現ADAS和自動(dòng)駕駛技術(shù)，希望相關(guān)傳感器在提升安全性的同時(shí)，尺寸能夠更小、速度更快且成本更低。通常，ADAS包括多種安全功能，例如自動(dòng)緊急制動(dòng)、車(chē)道監測以及障礙物警示等。

 

雷達，是一種障礙物探測技術(shù)，用于汽車(chē)盲點(diǎn)探測及其它安全功能。“近年來(lái)，雷達模組的尺寸獲得了大幅縮小，其散熱要求也越來(lái)越高，”NXP（恩智浦）產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理Thomas Wilson說(shuō)，“市場(chǎng)對雷達性能的要求越來(lái)越高，而尺寸要求不斷縮小，因此成本壓力越來(lái)越大。”

 

目前，汽車(chē)中應用的雷達模組是相對比較笨拙的系統，包含了多個(gè)基于不同工藝的芯片。因此，為了追求更小的尺寸和更低的成本，Infineon（英飛凌）、NXP（恩智浦）、Renesas（瑞薩）以及TI（德州儀器）正在開(kāi)發(fā)在同一個(gè)器件上整合多個(gè)元件的集成雷達芯片組。

 

盡管這些雷達芯片組可以針對多種不同的ADAS應用，但是，它們也代表了一種新的設計趨勢。IC制造商將不再采用多種不同的工藝來(lái)制造各種芯片，而是采用45nm和28nm的標準CMOS工藝來(lái)集成雷達器件。當然，其它可選工藝還包括22nm體硅工藝和FD-SOI（全耗盡型絕緣硅）工藝。

 

實(shí)現ADAS和自動(dòng)駕駛的另一種核心技術(shù)，激光雷達（LiDAR），是一種利用脈沖激光來(lái)測量目標距離的技術(shù)，也正從笨重的機械旋轉掃描系統，向集成更多元件、尺寸更小的固態(tài)單元發(fā)展，以降低高昂的制造成本。

 

雷達業(yè)界正在開(kāi)發(fā)下一代高分辨率雷達，以期替代昂貴的LiDAR，不過(guò)，LiDAR開(kāi)發(fā)商也并沒(méi)有閑著(zhù)。

 

事實(shí)上，目前并沒(méi)有任何一種技術(shù)能夠滿(mǎn)足所有ADAS或自動(dòng)/無(wú)人駕駛要求。如今，有些汽車(chē)已經(jīng)集成了先進(jìn)的視覺(jué)系統和雷達系統。接下來(lái)，它們或許還會(huì )裝配LiDAR，這意味著(zhù)視覺(jué)系統、雷達和LiDAR技術(shù)將在一定時(shí)期內和諧共存，共同實(shí)現汽車(chē)ADAS及未來(lái)的自動(dòng)駕駛功能。

 

每一種技術(shù)都有其優(yōu)勢和短板。“LiDAR相比視覺(jué)和雷達，是一種昂貴得多的傳感器系統，但是，它在目標識別方面精度更高。不過(guò)，LiDAR在雪、雨、霧等惡劣的氣候條件下也有其局限性。” Semico Research公司總裁Jim Feldhan說(shuō)，“雷達似乎不太會(huì )受到天氣條件的影響，但是雷達無(wú)法像LiDAR那樣精確的確定目標物體的尺寸和形狀。”

 

 

為了制造安全性更高的汽車(chē)，汽車(chē)制造商急需這些專(zhuān)門(mén)針對車(chē)輛安全性的環(huán)境感知技術(shù)。據美國國家高速公路交通安全管理局統計，94%的嚴重車(chē)輛事故都是由于駕駛員的操作失誤而造成的。

 

為此，近年來(lái)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)為車(chē)輛配備了越來(lái)越多的主被動(dòng)安全功能。據NXP的Wilson介紹，目前產(chǎn)業(yè)正朝著(zhù)兩條殊途同歸的路徑發(fā)展，即新車(chē)評價(jià)規程（NCAP）和自動(dòng)駕駛技術(shù)。

 

近年來(lái)，亞洲、歐洲和美國推出了各自的NCAP指南。在這些新車(chē)評價(jià)規程中，汽車(chē)經(jīng)過(guò)相應測試，基于車(chē)輛安全性給予星級評價(jià)。五星評價(jià)為最高等級，一星則最低。

 

“這種五星評價(jià)體系對車(chē)輛銷(xiāo)售產(chǎn)生了巨大影響。越來(lái)越多的消費者傾向購買(mǎi)擁有五星評價(jià)的車(chē)輛，因為這類(lèi)車(chē)輛的安全性更高，并且，保險費用也更低，”Wilson稱(chēng)。

 

每個(gè)主要地區都有自己的NCAP標準。但簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，基本的NCAP標準都包含了多種ADAS技術(shù)，例如自適應巡航控制、自動(dòng)緊急制動(dòng)、并線(xiàn)輔助、車(chē)道保持等。

 

NCAP及自動(dòng)駕駛趨勢

 

自適應巡航控制，能夠幫助汽車(chē)在車(chē)流中，自動(dòng)調整車(chē)速、保證與前車(chē)的安全距離，進(jìn)行自動(dòng)巡航。自動(dòng)緊急制動(dòng)功能，能夠在車(chē)輛感知到有可能發(fā)生碰撞事故前，自動(dòng)進(jìn)行車(chē)輛制動(dòng)。

 

車(chē)道保持功能，能夠幫助車(chē)輛保持在一個(gè)車(chē)道中巡航行駛，避免不安全的車(chē)道變更。而并線(xiàn)輔助功能，能夠在車(chē)輛轉彎或變換車(chē)道時(shí)，探測后方或側方是否有車(chē)輛等障礙物，向駕駛員發(fā)出警示或制動(dòng)車(chē)輛。

 

NCAP發(fā)展路徑圖推動(dòng)了在汽車(chē)中集成更多的傳感器。“例如，自動(dòng)緊急制動(dòng)功能，即需要攝像頭，也需要雷達傳感器，” GlobalFoundries（格羅方德）汽車(chē)事業(yè)部副總裁Mark Granger說(shuō)，“這種技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始從超豪華汽車(chē)，下放到更多的中端車(chē)型中。”

 

除了NCAP之外，汽車(chē)制造商還朝著(zhù)包括自動(dòng)駕駛汽車(chē)在內的另一條道路發(fā)展，自動(dòng)駕駛技術(shù)也在推動(dòng)攝像頭、LiDAR和雷達的需求增長(cháng)。盡管，十年或更久之內，全自動(dòng)駕駛汽車(chē)并不會(huì )成為市場(chǎng)主流。

 

L3/L4級自動(dòng)駕駛架構

 

任何一種ADAS技術(shù)或自動(dòng)駕駛技術(shù)都僅是實(shí)現自動(dòng)駕駛架構的一部分，它們必須能夠無(wú)縫銜接地協(xié)同工作。

 

“例如，應用日益增長(cháng)的V2V（車(chē)輛與車(chē)輛的互聯(lián)）以及V2X（車(chē)輛與萬(wàn)物的互聯(lián)），意味著(zhù)需要更多的車(chē)載雷達系統，”UMC市場(chǎng)部副總裁Steven Liu說(shuō)，“這些系統還需要其它技術(shù)提供支持，包括汽車(chē)防碰撞雷達，全球定位系統，與交通信號燈及車(chē)輛調度進(jìn)行識別和交互的傳感器等。這些系統都需要與車(chē)輛現有系統相結合，如駕乘舒適及娛樂(lè )控制系統，以及控制溫度、胎壓及燃油的引擎監控子系統等。”

 

 

據報道，汽車(chē)制造商同時(shí)采用多種方案來(lái)實(shí)現ADAS。例如，Tesla（特斯拉）生產(chǎn)的車(chē)型搭載了8個(gè)攝像頭，12個(gè)超聲波傳感器和雷達。超聲波傳感器利用聲波來(lái)測量車(chē)輛與物體之間的距離。

 

Tesla目前還沒(méi)有采用LiDAR，是因為L(cháng)iDAR技術(shù)成本太高昂。其它正在開(kāi)發(fā)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的廠(chǎng)商，或將在其車(chē)輛中同時(shí)應用攝像頭、雷達和LiDAR。

 

不管在那種方案中，先進(jìn)的視覺(jué)系統都是實(shí)現自動(dòng)駕駛的核心部件。“近年來(lái)，基于攝像頭的傳感器已經(jīng)能夠提供廣泛的測距功能，例如路標探測、車(chē)道偏離預警、遠近光控制、泊車(chē)輔助以及駕駛員狀態(tài)監測等，”TowerJazz公司CMOS圖像傳感器業(yè)務(wù)部高級副總裁兼總經(jīng)理Avi Strum說(shuō)。

 

大陸MFC430TA、采埃孚-天合S-Cam 3和博世MPC2汽車(chē)ADAS攝像頭對比分析，圖片引自《大陸汽車(chē)ADAS攝像頭：MFC430TA》

 

但是，攝像頭仍無(wú)法提供所有的安全功能。“事實(shí)上，Mobileye等廠(chǎng)商堅信，僅憑基于攝像頭的傳感器便能提供完整的ADAS解決方案，”Strum說(shuō)，“雖然基于攝像頭的傳感器能夠在光照良好的條件下，以卓越的分辨率感知周?chē)h(huán)境，但是在黑暗、雨、霧、雪等惡劣環(huán)境下，這類(lèi)傳感器的性能便會(huì )大幅下滑。”

 

這意味著(zhù)基于攝像頭的傳感器還有很大的改善空間，尤其在動(dòng)態(tài)范圍和近紅外靈敏度等方面，Strum補充道。

 

 

雷達也是ADAS和自動(dòng)駕駛的核心技術(shù)之一。簡(jiǎn)而言之，雷達通過(guò)發(fā)射毫米波范圍的電磁波，電磁波遇到障礙物后發(fā)生反射，被雷達系統捕獲，由此計算便能確定障礙物的距離、速度和角度。

 

通常，OEM廠(chǎng)商會(huì )在車(chē)輛中采用短距離和長(cháng)距離雷達。自適應巡航控制和自動(dòng)緊急制動(dòng)功能采用長(cháng)距離雷達（LRR）。長(cháng)距離雷達一般裝配在車(chē)輛前保險杠后方。

 

雷達和自動(dòng)駕駛汽車(chē)

 

前向長(cháng)距離雷達采用77GHz毫米波頻率，探測范圍覆蓋160~200米。通常，前向雷達模組集成了多種不同的組件，例如微控制器（MCU）和RF（射頻）收發(fā)器。收發(fā)器負責將雷達數據通過(guò)鏈接傳送給MCU，由MCU進(jìn)行雷達數據處理。

 

《英飛凌77 GHz雷達接收器和發(fā)射器：RRN7745P和RTN7735P》

 

MCU的制造往往基于CMOS工藝，正從55nm或40nm工藝向28nm及以下工藝節點(diǎn)轉移。同時(shí)，單獨的RF收發(fā)器一般基于高性能SiGe（硅鍺）RF工藝。也有采用BiCMOS工藝。兩種技術(shù)都源自更成熟的工藝節點(diǎn)。

 

前向長(cháng)距離雷達仍將保持在77GHz頻段，但是器件技術(shù)正在發(fā)展。以近期的新產(chǎn)品為例，TI推出了一款單芯片雷達產(chǎn)品，在同一個(gè)器件上整合了MCU和收發(fā)器。這款雷達芯片組基于45nm RF CMOS工藝，實(shí)現了不同組件的集成。

 

“單芯片雷達傳感器解決方案相比雙芯片解決方案，具有諸多優(yōu)勢，”TI產(chǎn)品經(jīng)理Kishore Ramaiah說(shuō)，“因為這是一種RF CMOS解決方案，它具有更低的功耗和更高的集成度，這意味著(zhù)能夠帶來(lái)更小的尺寸和更優(yōu)化的BOM。”

 

不過(guò)，至少目前來(lái)看，前向長(cháng)距離雷達或仍將大部分采用分立解決方案。“長(cháng)距離雷達模組設計還存在很多變數，我認為MCU和收發(fā)器還將在一定時(shí)間內保持分立設計，”NXP公司的Wilson說(shuō)，“隨著(zhù)時(shí)間的發(fā)展，當RF CMOS技術(shù)發(fā)展到能夠支持長(cháng)距離雷達的RF性能要求時(shí)，它相比SiGe技術(shù)才會(huì )更有競爭力。我預計這兩種解決方案將在一段時(shí)期內共存。”

 

而短距離（SRR）雷達模組方面則有了切實(shí)的設計革新，目前大多數短距離雷達模組的工作頻率為24GHz，探測距離約60~70米。

 

安裝在汽車(chē)前后方兩角的短距離雷達模組，可用于車(chē)道探測、車(chē)道保持等相關(guān)功能。同時(shí)，并線(xiàn)輔助功能也采用安裝在前部側方保險杠的短距離雷達。

 

為了使車(chē)輛獲得更先進(jìn)的ADAS功能，短距離雷達正從24GHz向更高性能的79GHz更替。采用79GHz是為了避免和前向77GHz長(cháng)距離雷達發(fā)生干擾。

 

裝配于車(chē)輛后方兩角的雷達模組也正在從分立模式向芯片組解決方案過(guò)渡。“市場(chǎng)對集成收發(fā)器和MCU的RF CMOS方案很感興趣。但是，相對前向長(cháng)距離雷達，市場(chǎng)更傾向于在車(chē)輛四角的短距離雷達上應用芯片組集成解決方案，因為這些雷達需要尺寸做的更小，并且對成本更加敏感，”Wilson說(shuō)。

 

對于這類(lèi)雷達模組，OEM廠(chǎng)商提供了多種方案。如上所述，TI提供了采用45nm RF CMOS工藝的芯片組。而ADI和Renesas正在開(kāi)發(fā)一款采用28nm RF CMOS工藝的77/79 GHz的雷達器件。同時(shí)，GlobalFoundries則提供22nm FD-SOI工藝，一種在襯底中加入薄絕緣層以抑制漏損的技術(shù)。

 

和體硅CMOS工藝類(lèi)似，FD-SOI工藝能夠使芯片制造商集成包括雷達芯片在內的多種元件。而且，FD-SOI還能解決其它問(wèn)題。“一顆雷達單元的功耗已經(jīng)很高了。如果集成了多個(gè)雷達器件，系統散熱將成為一個(gè)大問(wèn)題，” GlobalFoundries產(chǎn)品線(xiàn)管理高級總監Bert Fransis說(shuō)，“而體硅CMOS工藝無(wú)法解決這種問(wèn)題。采用FD-SOI工藝，則能使每款雷達解決方案的功耗降低至1 watt以下。”

 

當然，還有較傳統的選擇方案，采用單獨的基于SiGe的雷達收發(fā)器。“基于SiGe的短距離和長(cháng)距離雷達能夠滿(mǎn)足汽車(chē)雷達系統的要求，”TowerJazz市場(chǎng)戰略高級總監Amol Kalburge說(shuō)，“采用SiGe方案最重要的是，同一顆芯片上的發(fā)射端功率放大器和接收端低噪音放大器之間的完整集成，才能使系統獲得最優(yōu)的性能和更低的成本。”

 

如上所述，雷達系統對于A(yíng)DAS和自動(dòng)駕駛應用來(lái)說(shuō)，有優(yōu)勢也有劣勢。“雷達傳感器相對來(lái)說(shuō)尺寸比較緊湊，成本效益也高，因此，現在已經(jīng)被OEM廠(chǎng)商大量采用，”Kalburge說(shuō)道，“目前的汽車(chē)雷達解決方案，其分辨率還不足以應對全自動(dòng)駕駛應用，現在正在開(kāi)發(fā)新的硬件和軟件解決方案來(lái)提高雷達系統的分辨率。”

 

事實(shí)上，業(yè)界正在努力開(kāi)發(fā)下一代雷達。其中一個(gè)目標便是縮小與LiDAR之間的分辨率差距，或能進(jìn)一步取代LiDAR。“未來(lái)，我們或將看到雷達和LiDAR之間的激烈競爭，”GlobalFoundries公司的Granger說(shuō)。

 

雷達研發(fā)方面，Imec（歐洲微電子研究中心）目前正在開(kāi)發(fā)140GHz雷達技術(shù)。也有其它廠(chǎng)商及研究機構正在研究成像雷達技術(shù)。“雷達技術(shù)一直在不斷發(fā)展，”National Instruments（國家儀器）公司的市場(chǎng)技術(shù)專(zhuān)家Marcus Monroe說(shuō)，“新的天線(xiàn)設計和先進(jìn)的處理算法將為雷達帶來(lái)更高的性能和全新的功能，使其能夠用于之前無(wú)法勝任的應用場(chǎng)景，例如行人探測等。”

 

那么成像雷達又是什么鬼？“成像雷達是一種雷達應用，通過(guò)快速產(chǎn)生的雷達脈沖，利用反射的雷達能量來(lái)創(chuàng )建2D或3D圖像。這種技術(shù)在航天產(chǎn)業(yè)已經(jīng)應用多年，例如陸地測繪和氣象監測等。這種技術(shù)還沒(méi)有用在汽車(chē)雷達上，可能是由于功耗和處理能力限制，”Monroe說(shuō)。

 

LiDAR VS. 高分辨率雷達

 

 

LiDAR技術(shù)一直在進(jìn)步。這項技術(shù)可以應用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)，但不僅限于該應用。“大家會(huì )看到LiDAR和攝像頭、雷達一起聯(lián)合應用于A(yíng)DAS系統，”全球最知名的汽車(chē)LiDAR供應商Velodyne公司首席技術(shù)官Anand Gopalan說(shuō)。

 

LiDAR和雷達不同。“LiDAR通過(guò)發(fā)射一系列脈沖激光，然后測量激光反射回來(lái)的飛行時(shí)間，”Gopalan解釋道，“再利用這些數據創(chuàng )建周?chē)h(huán)境的3D、高分辨率地圖。”

 

LiDAR目前還面臨很多技術(shù)挑戰，它包含了很多運動(dòng)部件，而且價(jià)格十分昂貴，但是，這一切都正在改變。根據Yole的數據，一般情況下，汽車(chē)攝像頭模塊的售價(jià)大約30美元，而LiDAR系統的售價(jià)則高達3000美元以上。但是，現在新開(kāi)發(fā)的LiDAR系統正朝著(zhù)300美元以下而努力。

 

《大陸集團最先進(jìn)的ADAS激光雷達：SRL1》

 

根據著(zhù)名市場(chǎng)研究機構Frost and Sullivan研究，現在，主要有三種LiDAR技術(shù)方案——機械、MEMS以及混合固態(tài)技術(shù)。機械LiDAR主要用于高端工業(yè)市場(chǎng)，而基于MEMS技術(shù)的LiDAR解決方案剛剛興起。

 

目前，有許多創(chuàng )業(yè)公司正在研究尺寸更小、更加緊湊的固態(tài)LIDAR系統。固態(tài)LiDAR不含或僅含很少的可動(dòng)部件。

 

Velodyne公司目前的主力LiDAR產(chǎn)品

 

LiDAR采用的主要核心組件包括，激光二極管、光電探測器以及處理單元。

 

據Frost and Sullivan介紹，LiDAR利用激光二極管發(fā)射一束波長(cháng)905nm的脈沖激光，投射出100萬(wàn)個(gè)光子，不過(guò)，僅有1個(gè)光子能夠反射回系統。

 

因此，LiDAR制造商在系統中集成了最多64個(gè)激光器，來(lái)提高發(fā)射出的光子數量。通過(guò)激光器每發(fā)射10億個(gè)光子，大約能收集到1000個(gè)反射回來(lái)的光子。此時(shí)，便利用系統中的光電探測器來(lái)感知并捕獲一定視場(chǎng)角（field of view）內反射回來(lái)的光子信號。因此，太陽(yáng)光和天氣條件可能會(huì )影響探測器的信噪比。

 

光電探測器通過(guò)計算反射光子的飛行時(shí)間，便能計算獲得LiDAR與物體之間的距離。“信號處理非常復雜，需要采用FPGA（現場(chǎng)可編程門(mén)陣列）或處理器等高密度處理單元，”Velodyne公司的Gopalan說(shuō)。

 

一直以來(lái)，LiDAR都朝著(zhù)集成更多功能，同時(shí)不斷降低成本的目標而努力。“我們采用了自己開(kāi)發(fā)的ASIC技術(shù)，將很多重要的功能集成到一組ASIC中，”Gopalan說(shuō)，“短期內，我們不認為可以在一顆單芯片上集成完整的LiDAR系統，但是會(huì )盡可能的朝這個(gè)方向努力。市場(chǎng)將會(huì )看到一款高度集成的、具有完整功能的多芯片LiDAR模組。”

 

LiDAR中的其它組件也在朝著(zhù)高度集成化發(fā)展，例如激光二極管驅動(dòng)器，它負責為激光二極管提供電流。

 

例如，Velodyne采用了來(lái)自EPC公司（宜普電源轉換公司）的基于GaN（氮化鎵）技術(shù)的激光二極管驅動(dòng)器芯片。據EPC公司首席執行官Alex Lidow稱(chēng)，基于GaN技術(shù)的開(kāi)關(guān)速度比硅技術(shù)要快100倍。

 

EPC第五代低壓（100V）GaN晶體管，圖片引自《EPC增強型GaN-on-Silicon功率晶體管：EPC2045》

 

“得益于GaN器件的快速開(kāi)關(guān)速度、高電壓和高電流性能，激光器每次脈沖的時(shí)間更短，發(fā)射的光子數量更多，”Lidow說(shuō)，“因此，LiDAR系統能夠‘看’得更遠，分辨率更高，更快地創(chuàng )建周?chē)h(huán)境的3D數字地圖。”

 

基于GaN的激光二極管驅動(dòng)器占據LiDAR系統總成本的不到5%。“GaN晶體管已經(jīng)逐漸被GaN集成電路所取代，將在改善性能的同時(shí)進(jìn)一步降低系統成本，”Lidow說(shuō)。

 

EPC的GaN激光二極管驅動(dòng)器由Episil（漢磊）的代工廠(chǎng)加工制造，基于350nm工藝。隨著(zhù)時(shí)間的推移，EPC計劃逐步遷移至130nm工藝。

 

LiDAR系統中另一個(gè)關(guān)鍵組件是光電二極管，一種負責將光信號轉換為電信號的半導體器件。對于LiDAR應用，目前主要有四類(lèi)光電二極管：pin光電二極管、雪崩光電二極管（APD）、單光子雪崩二極管（SPAD）以及硅光電倍增管（SiPMs）。

 

“探測器技術(shù)的選擇主要取決于波長(cháng)的選擇，” Gopalan說(shuō)，“在905nm波段，硅APD在增益和信噪比方面仍是最可靠的技術(shù)。SiPMs仍極具前景，但是它們在LiDAR系統級的信噪比優(yōu)勢還有待進(jìn)一步證明。”

 

那么未來(lái)這些技術(shù)將如何發(fā)展？攝像頭、LiDAR以及雷達，很有可能將和諧共存。“這些技術(shù)各自都無(wú)法單獨支撐ADAS或自動(dòng)駕駛系統，” Gopalan說(shuō)，“對于雷達來(lái)說(shuō)，相比LiDAR，它還有很大的空間來(lái)增強數據、補充環(huán)境感知信息。而攝像頭，也將繼續作為第三種傳感器，成為L(cháng)iDAR和雷達的最佳‘隊友’。”

 

（來(lái)源：麥姆斯咨詢(xún)）