盡管沃爾沃表示將在2022年之前將Luminar的激光雷達(dá)（LiDAR）模組集成到其部分汽車中，但Elon Musk并不關(guān)心激光雷達(dá)；激光雷達(dá)是基于光的回波定位技術(shù)，在概念上與雷達(dá)相似。雷達(dá)與激光雷達(dá)最大的區(qū)別在于：雷達(dá)是基于無(wú)線電波，其頻率比激光雷達(dá)使用的光波頻率要低得多。低頻波在霧、煙、霾、雨、雪等惡劣環(huán)境中探測(cè)能力更強(qiáng)。當(dāng)存在這樣的環(huán)境障礙物時(shí)，光波就不能很好地發(fā)揮作用。

與雷達(dá)相比，激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)在于可以創(chuàng)建更精確的物體表征（圖像）。但目前的激光雷達(dá)傳感器模組價(jià)格昂貴，每臺(tái)售價(jià)高達(dá)上萬(wàn)美元。更糟糕的是，激光雷達(dá)的視場(chǎng)往往相對(duì)狹窄，這意味著需要同時(shí)使用多個(gè)模組，以確保引導(dǎo)自動(dòng)駕駛汽車安全地行駛。

想象一下，如果一款廣角激光雷達(dá)的成本只有幾百美元，這將推動(dòng)自動(dòng)駕駛汽車時(shí)代的到來(lái)！目前有兩支研究團(tuán)隊(duì)表示，他們所研發(fā)的產(chǎn)品正在接近這個(gè)目標(biāo)。本文將介紹這兩支團(tuán)隊(duì)針對(duì)激光雷達(dá)的最新研究進(jìn)展。

東芝團(tuán)隊(duì)的研究進(jìn)展

介紹東芝的激光雷達(dá)研究并非因?yàn)槠溲芯績(jī)?yōu)于其他公司，而是由于東芝是一家公認(rèn)的電子產(chǎn)品制造商，并在量產(chǎn)產(chǎn)品制造方面擁有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)。東芝宣稱“東芝的先進(jìn)光接收技術(shù)可使固態(tài)激光雷達(dá)不再依賴機(jī)械部件?！睎|芝表示，其新款激光雷達(dá)擁有緊湊、成本低、安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，適用于各類汽車應(yīng)用。

由于不再依賴笨重的機(jī)械部件，該技術(shù)節(jié)省了成本和空間，同時(shí)還提升了運(yùn)行可靠性。其核心技術(shù)便是東芝專有的緊湊型高效硅光電倍增管（SiPM）。一般來(lái)說(shuō)，SiPM具有很高的光敏性，因此適于遠(yuǎn)距離探測(cè)。

然而，由SiPM組成的光接收單元在被觸發(fā)后需要一定的恢復(fù)時(shí)間，另外在強(qiáng)環(huán)境光條件下也需大量的光接收單元，這是因?yàn)樗鼈儽仨毦哂袀溆脝卧拍芗皶r(shí)對(duì)反射的激光做出響應(yīng)。東芝的SiPM采用一種晶體管電路來(lái)重啟單元，以縮短恢復(fù)時(shí)間。該光接收單元工作效率更高，所需單元數(shù)量更少，因此SiPM尺寸更小，如圖1所示。這樣就在保持高靈敏度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更高分辨率的SiPM陣列，如下圖所示。

SiPM小型化

SiPM陣列

該激光雷達(dá)原型的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試使用了市售鏡頭（從廣角鏡頭到長(zhǎng)焦鏡頭），此次測(cè)試證明該系統(tǒng)的有效距離最遠(yuǎn)可達(dá)200米。這是目前在售固態(tài)激光雷達(dá)系統(tǒng)可達(dá)探測(cè)距離的四倍，同時(shí)還保持了高分辨率。

使用市售鏡頭免除了復(fù)雜的定制程序，從而使該激光雷達(dá)系統(tǒng)可應(yīng)用于各類自動(dòng)駕駛汽車。這項(xiàng)技術(shù)與生具有的緊湊性使其可在車輛的許多位置安裝，而以往選擇激光雷達(dá)的安裝位置也是重大挑戰(zhàn)；這還將擴(kuò)大激光雷達(dá)在汽車領(lǐng)域以外的應(yīng)用。東芝計(jì)劃在2022年開(kāi)始生產(chǎn)其新款緊湊型激光雷達(dá)模組。

美國(guó)CU-Boulder團(tuán)隊(duì)的研究進(jìn)展

科羅拉多大學(xué)博爾德分校（University of Colorado Boulder，簡(jiǎn)稱CU-Boulder）的研究人員也表示，他們?cè)诩す饫走_(dá)技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展。研究成果以題為“Serpentine optical phased arrays for scalable integrated photonic lidar beam steering”發(fā)表于Optica。研究人員表示，他們一直在研究一種激光束操縱的新方法，被稱為“光波操縱（wavelength steering）”，即為每種激光波長(zhǎng)（或光的顏色）指向某個(gè)特定的角度。

CU Boulder的研究者開(kāi)發(fā)出一種方法，可同時(shí)沿兩個(gè)維度（代替了一個(gè)維度）并使用“彩虹”模式來(lái)拍攝3D彩色圖像。由于光束易通過(guò)改變顏色來(lái)控制，因此可通過(guò)同時(shí)控制多個(gè)相控陣來(lái)產(chǎn)生更大的孔徑和更高分辨率的圖像?！拔覀円呀?jīng)找到了如何將這種2D彩虹放入極小尺寸芯片中的方法?！边@項(xiàng)研究的共同作者、電子和計(jì)算機(jī)工程教授Kelvin Wagner表示。

“電子通信已到了絕對(duì)極限。光學(xué)必將發(fā)揮巨大作用，這就是眾多大廠商均致力于硅光子學(xué)技術(shù)工業(yè)可行性研究的原因。”這項(xiàng)研究的共同作者、波士頓大學(xué)（Boston University）工程學(xué)副教授Milo? Popovic表示。這些硅芯片的制造工藝越簡(jiǎn)單、尺寸越小，同時(shí)還能在成像中保持高分辨率和精度，它們就能應(yīng)用于更多的技術(shù)場(chǎng)景，如自動(dòng)駕駛汽車和智能手機(jī)。據(jù)說(shuō)，iPhone 12將采用激光雷達(dá)技術(shù)來(lái)增強(qiáng)面部識(shí)別。

“我們提出了一種利用芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)可擴(kuò)展性的方法。而這僅是第一步，是該方法的第一塊基石?！边@項(xiàng)研究的第一作者Nathan Dostart認(rèn)為，“該研究還有很長(zhǎng)的路要走?！盢athan Dostart將在NASA位于美國(guó)Virginia的蘭利研究中心（Langley Research Center）繼續(xù)其研究。

博世（Bosch）等多家公司表示，他們已擁有先進(jìn)的汽車激光雷達(dá)技術(shù)。斯坦福大學(xué)（Stanford）研究人員也曾表示，他們已在片上激光雷達(dá)技術(shù)中取得了良好的進(jìn)展。盡管如此，在實(shí)驗(yàn)室完成的產(chǎn)品可能需要很多年才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)。根據(jù)最近的新聞，目前東芝的激光雷達(dá)技術(shù)兼具經(jīng)濟(jì)性和可擴(kuò)展性，可能處于該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

預(yù)計(jì)五年內(nèi)，自動(dòng)駕駛汽車的市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到5000億美元，但不受預(yù)定路線需求限制的完全自動(dòng)駕駛汽車技術(shù)目前還未達(dá)到可接受的價(jià)格區(qū)間。也許這些研究中的某項(xiàng)成果就能解決這個(gè)問(wèn)題。