為啥自動駕駛不使用1550納米激光雷達？

[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號]在自動駕駛傳感器的技術(shù)路線中，激光雷達的波長選擇直接決定了探測距離、分辨率以及成本。目前市場上絕大多數(shù)車型采用的是905納米波長的激光雷達，1550納米方案雖然在技術(shù)參數(shù)上表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，卻始終未能實現(xiàn)大規(guī)模普及。為何1550納米激光雷達難成自動駕駛主流？

1550納米激光雷達有何優(yōu)勢？

激光雷達的工作原理是發(fā)射光脈沖并接收反射信號，其探測距離主要取決于發(fā)射功率。車載激光雷達必須嚴(yán)格遵守一級人眼安全標(biāo)準(zhǔn)（Class 1）。905納米光波極其接近可見光光譜，人眼晶狀體能夠?qū)⑵渚劢乖谝暰W(wǎng)膜上。如果發(fā)射功率過高，會造成視網(wǎng)膜的熱損傷或光化學(xué)損傷。因此，905納米激光器的脈沖功率受到了嚴(yán)密的法規(guī)限制，這也直接限制了它的有效探測距離，在面對低反射率物體時，探測能力會止步于150米至200米。

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1550納米波長則屬于短波紅外（SWIR）范疇，其會被角膜和晶狀體等人眼的前部組織中的水分吸收，無法到達視網(wǎng)膜。基于此，1550納米激光雷達可以在不傷害人眼的前提下，大幅提升發(fā)射功率，其峰值功率甚至可以達到905納米方案的數(shù)十倍。高功率帶來的直接好處是極佳的信噪比，使其探測距離能夠輕松突破300米甚至500米，為自動駕駛系統(tǒng)在高速行駛場景下爭取到更長的感知預(yù)警時間。

大氣散射的物理規(guī)律也對波長選擇產(chǎn)生影響，光線在空氣中傳播時會遇到水汽和塵埃。1550納米光的瑞利散射強度低于905納米，這意味著在雨霧天氣下，1550納米光束的穿透力更強，回波信號更穩(wěn)定，受環(huán)境噪音的影響也更小。

硬件上存在什么制約？

制約1550納米激光雷達普及瓶頸在于半導(dǎo)體材料，905納米光子能量較高，可以被廉價且工藝極其成熟的硅基探測器（如硅光電倍增管SiPM或雪崩光電探測器APD）捕捉。硅基半導(dǎo)體依托于全球數(shù)萬億美元規(guī)模的CMOS產(chǎn)業(yè)鏈，可以實現(xiàn)高度集成的片上系統(tǒng)，不僅體積小、良品率高，而且成本能夠隨著產(chǎn)量增加而迅速攤薄。

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然而硅材料由于其能帶結(jié)構(gòu)限制，對能量較低的1550納米光子完全透明，無法產(chǎn)生光電效應(yīng)。要探測1550納米光，必須使用化合物半導(dǎo)體材料，最常見的是銦鎵砷。銦鎵砷探測器的制造工藝遠(yuǎn)比硅復(fù)雜，它需要外延生長技術(shù)，且目前無法像硅一樣實現(xiàn)超大規(guī)模的集成制造。這種材料的襯底價格昂貴，生產(chǎn)過程中的缺陷控制難度大，導(dǎo)致1550納米接收器的單價是905納米接收器的十倍以上。

除了接收端，發(fā)射端同樣昂貴，905納米一般采用邊發(fā)射激光器或垂直腔面發(fā)射激光器，這些都是成熟的固態(tài)電子元件。而1550納米方案為了達到高功率和高光束質(zhì)量，需要引入光纖激光器。光纖激光器內(nèi)部包含泵浦源、增益光纖和復(fù)雜的耦合結(jié)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且涉及大量的精密光學(xué)調(diào)教，這使得整個激光發(fā)射系統(tǒng)的體積龐大且造價不菲。

熱管理與系統(tǒng)集成度的考驗

高功率帶來的不僅是探測距離的提升，也會伴隨巨大的功耗。1550納米激光雷達在工作時，光纖激光器和驅(qū)動電路會產(chǎn)生明顯的熱量。對于自動駕駛車輛而言，傳感器是安裝在車頂或封閉的保險杠內(nèi)的，散熱環(huán)境受限。如果熱量無法及時散發(fā)，激光器的波長會發(fā)生漂移，影響濾光片的匹配精度，進而導(dǎo)致探測距離和精度的縮減。為了解決散熱，就不得不加入復(fù)雜的液冷或風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，這進一步增加了系統(tǒng)的體積和重量。

對于車企來說，系統(tǒng)集成度一直是非常重要的考量，905納米激光雷達正朝著全固態(tài)和芯片化方向演進，傳感器可以做得像手機鏡頭一樣輕巧。相比之下，由于光纖激光器的存在，1550納米激光雷達很難被壓縮到極小的尺寸。在追求低風(fēng)阻和美觀的乘用車設(shè)計趨勢下，車頂上巨大的犄角或前臉厚重的傳感器艙，顯然不如隱形集成的905納米方案更具吸引力。

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目前，行業(yè)內(nèi)正在嘗試通過硅光子技術(shù)來解決這一問題，其思路是在硅襯底上異質(zhì)集成三五族材料，試圖將1550納米的激光發(fā)射、調(diào)制和探測全部集成在一顆硅基芯片上。如果這一技術(shù)路線能夠成熟，1550納米方案的成本和體積有望大幅下降。但在現(xiàn)階段，905納米方案憑借其極高的性價比、成熟的供應(yīng)鏈以及足以應(yīng)付多數(shù)場景的探測性能，依然是乘用車量產(chǎn)市場的最優(yōu)解。1550納米雷達則更多地服務(wù)于對遠(yuǎn)距感知有剛性需求的高階自動駕駛和干線物流卡車。