Waymo Honeycomb，激光雷达领域的另类

翻译自——EEtimes

许多自动驾驶汽车(AV)开发人员一直在热切追求激光雷达技术，这种技术之所以重要，是因为它能够构建汽车周围环境的3D模型，这是自动驾驶汽车竞赛中的一个基本特征。

领先的AV公司——Waymo、GM Cruise和Argo AI——要么已经收购了激光雷达技术公司，要么已经在内部开发了激光雷达。在最近一次采访中，Mobileye的首席执行官Amnon Shashua承认，就连英特尔公司Mobileye也在研发自己的激光雷达技术。

但在所有自动驾驶汽车开发商中，Waymo是目前唯一一家将其激光雷达投入商用的公司。然而，Waymo并没有授权给所有人。它的合作伙伴仅限于那些从事非汽车自动驾驶领域的人。

自Waymo宣布将其激光雷达“Laser Bear Honeycomb”授权给非汽车公司以来，已经过去了16个多月。结果怎么样?记者最近采访了Waymo的激光雷达团队领导Simon Verghese,一起来听听近况如何。

Verghese证实，Waymo现在已经赢得了多个设计奖项。但他对Waymo的激光雷达技术、定价或合作伙伴等细节只字未提。如果Waymo对与外部客户做生意是认真的，为什么要保密?“你需要保密协议，” Verghese表示。

尽管如此，Verghese还是证实了以下几点:Waymo为何决定许可其激光雷达技术;公司如何认为自己的技术优于其他技术;以及公司正在探索的激光雷达技术的新领域。

它是机械的

Waymo的Honeycomb激光雷达是基于机械技术，配有一个旋转镜和一个转盘。

AV行业最近掀起了一股激光雷达技术的淘金热。据报道，已有70多家初创企业杀入该领域，积极探索MEMS、固态激光雷达和闪光激光雷达在内的新技术。

在这个新兴的自由市场，很明显Waymo推出它的Honeycomb lidars并不是因为它是一项新技术，而是因为它经过试验和测试的机械旋转激光陀螺显示出了良好的稳定性。

经验很重要

本着这一精神，Waymo在100万英里的运营中测试了自己的AV。Verghese解释，了解整个自动驾驶汽车是如何工作的很有帮助。Waymo不仅可以生产激光雷达。“我们是一家垂直整合的AV公司，”牢牢掌握着与传感器紧密合作的AV软件。

更广泛的视野

据Waymo公司介绍，激光雷达放置在车辆四周的四个点上，可提供“无与伦比的视场，与市面上大多数产品垂直视场角只有 30°不同的是，这款传感器的水平视场角为 360°，而垂直视场角为 95°，这相当于是把三个 3D 传感器叠加在一起。”

这意味着更少的传感器可以让AV看到更多的区域。Waymo还声称，不管距离有多近，它的激光雷达几乎不会受到干扰;它们能够探测并避开非常近距离的物体。

Verghese：“我们知道我们的传感器如何在盲点上协同工作，”Waymo的蜂窝式激光雷达提供“更高的点密度和更好的范围”。

根据官方的描述，总结一下Honeycomb特点：

Wide field of view(宽视场)：一些3D激光雷达的垂直的视野(FOV)30°，蜂窝有垂直视场95°+ 360°水平视场，这意味着一个蜂巢可以完成三个叠加在一起的3D传感器的工作。

Multiple returns per pulse(每脉冲多次返回)：当蜂窝状物体发出光脉冲时，它看到的不仅仅是激光束接触到的第一个物体。相反，它可以在激光束的视线内看到四个不同的物体（例如，它可以同时看到树枝前面的叶子和树枝本身），这提供了环境的丰富和更详细的视图，并显示了可能遗漏的对象。

Minimum range of zero(最小零点范围)：蜂窝具有最小零点范围，这意味着它可以立即看到传感器前面的物体，这支持非常关键的功能，如近目标检测和避免。

可以看出，这款短程激光雷达所拥有的「最小零点范围」，可以为近距离目标检测和避障提供很大的帮助。

作为自动驾驶的领头羊，除了运营无人驾驶出租业务外，谷歌似乎找到了第二个清晰的赚钱渠道，把技术打包售卖。拥有顶级流量的waymo，想必只需分享一些技术皮毛，定会轻松挤入汽车供应链体系中。但该产品定价以及与其他车辆的匹配问题，仍需后期使用者进一步考证。

激光雷达在无人驾驶汽车上的作用不言而喻，无人车上路要随时「环顾四周」，需要配备多种传感系统来获取视觉能力。摄像头、超声波探测器、毫米波雷达以及激光雷达等传感器之间的各种排列组合，都能在一定程度上赋予汽车这一能力。waymo的加入势必会给激光雷达厂家带来一定的压力。

传感器也要清洗?

通过百万英里的AV测试，Waymo发现了一个激光雷达新手可能没有机会了解的问题:随着时间的推移，传感器看到和检测物体的能力在退化。

Waymo的解决方案是:首先，知道什么时候清洗传感器。第二，设计用户友好，易于清洁的传感器。感应能力的下降，在各种不同道路条件下它能看到和探测到的物体有多远，直接影响到AV的安全性。

绕轴旋转

大多数行业分析师认为，过去几年涌现的70多个激光雷达初创企业中，有许多不太可能在Covid-19经济中生存下来。公共卫生危机加剧了这样一个现实，即商业AV的到来不再像曾经预测的那样迫在眉睫。

在困难的环境下，尚未被收购的激光雷达开发商必须调整他们的战略。一些公司已经在努力使他们的技术更适合设计成ADAS汽车(而不是机器人出租车)，或者被工业机器人市场所接受。总部位于西雅图的初创公司Lumotive就是一个很好的例子，它正在三管齐下，将智能手机激光雷达芯片添加到产品路线图中。

Waymo财力雄厚，它不是在为生存而战。但它正在为其激光雷达技术探索一系列新的非av市场。Verghese表示，蜂窝式激光雷达不仅在农业、土方工程、建筑设备和采矿等市场上独树一帜。这种应用依赖于“强度和耐用性”。

例如，工业领域需要一种足够可靠的激光雷达来探测路径上的碎片，而不需要对特定的物体进行分类。激光雷达会告诉你，“我不知道那是什么，但最好不要从上面跑过去。”

他指出，同样的原理也适用于夜里从卧室走到厨房。你在黑暗中通过接触墙壁和测量距离来找到你的路。Verghese解释:“当你感觉到地板上有什么东西的污迹时，你会避免踩到它。”

规模经济

Waymo正在向非汽车公司推销其激光雷达技术，主要是希望扩大规模。如果更多的公司采用它，Waymo可以提高激光雷达的产量。理论上，规模经济会降低每个传感器的成本。

当谈到激光雷达的“批量生产”时，与合作伙伴合作和管理供应链是Waymo要做的大事。只要它是唯一的客户，用激光雷达测试自己的AV测试车辆，Waymo就不必担心这些意外事件。

不过，有一件事是肯定的。Waymo“对理解它的激光雷达的所有不同的用例很感兴趣。换句话说，尽管Waymo专注于在汽车市场上使用激光雷达，但他们非常希望了解如何使激光雷达及其相关软件更适用于工业机器人、仓库机器人和安全等特定的非汽车应用。为此，Waymo将与合作伙伴密切合作。

相干激光雷达的出现

许多激光雷达公司对使用MEMS微扫描器或SPAD(单光子雪崩二极管)阵列进行新的激光雷达设计，Waymo除了机械激光雷达外还有什么计划?

Verghese表示，许多技术选择都在谈判桌上。“我们非常清楚并密切关注”各种新技术的发展。Waymo继续与谷歌的内部技术开发活动紧密联系。例如，蜂窝激光雷达的基础技术开发已经在谷歌内部开始。Waymo最终与谷歌合作，使其激光雷达和软件协同工作。

Verghese也承认“相干激光雷达”是一种未来的技术选择。

今天的激光雷达，包括Waymo的Honeycomb，都是脉冲系统。而相干激光雷达的方法是调频连续波(FMCW)雷达。

这种相干测距，即调频连续波FMCW雷达。很简单就是光源、耦合器、上位机，然后采集。”该方案发的信号是连续波，频率是线性的周期，调频的一个频率，也就意味着发射的频率和接收的频率有一个差异，这个差异可以通过光学的混频探测探测到它两个波的差，通过频率做一个转换就可以换算出距离，原理其实也不复杂，它增加的模块主要是光学处理部分。这其中的关键技术包括；激光调频技术，收发光学技术，相干接收技术，然后信号解析算法。

连续波操作的优点包括能够直接检测速度和高分辨率范围。然而，最大的挑战是，这样的系统需要多种光学元件的紧密集成，包括激光器、放大器、相位和振幅控制、低噪声光电二极管、模式转换器和光波导。这些必须进一步集成在一个紧凑的形式因素下，才可大量生产。

这就是硅光子学的作用。理论上，硅平台可以在可伸缩的高容量制造过程中实现硅芯片上的光学集成，从而实现芯片级的固态激光雷达。

Verghese承认谷歌已经对硅光子学达到了专业水平，因为谷歌认为它是使光通信的大型线卡变得更小的关键。

相干系统被认为能提供更好的性能——包括单脉冲速度测量和对其他光源干扰的免疫力。尽管这些进展仍在研究。

分析师如何看待Waymo

我们对Waymo的采访提供了一些关于Waymo激光雷达发展方向的看法。但撇开Waymo的雄心不谈，我们还远不清楚Waymo在商业上与Honeycomb会有多大的竞争力。

记者向Yole Developpement的技术和市场分析师Alexis Debray询问了近几个月激光雷达市场的情况，以及Waymo的发展预测。

Debray观察到，对于汽车激光雷达，供应链上的许多公司“正准备在2021年到2023年之间推出产品。”奥迪目前正与法雷奥(Valeo)、Innoviz与麦格纳(Magna)和宝马、Luminar与沃尔沃、Velodyne与现代Mobis等公司合作。

Debray强调，Waymo并不孤单。“许多公司也为工业应用和自动驾驶汽车(自动出租车和自动穿梭车)开发了激光雷达。”

他指出:“这使得激光雷达的价格降到几千美元，而三年前的价格是几万美元。”这种激光雷达“性能更好，体积更小，可靠性更高”。“因此，激光雷达在越来越多的应用中被使用和测试——包括工厂车辆、安全、智能交通系统、防御和其他。”

鉴于Honeycomb的性能和价格的公开信息很少，Debray指出，“我认为Waymo有两个优势。首先，他们掌握了从激光雷达到终端系统和操作的每一步，包括软件、电子设备……其次，他们已经进行了长达数百万英里的操作测试。”

但这并不意味着Waymo就能一帆风顺。Waymo“在不同的工业应用需要许多不同的规格时，只提供一种模式。”

在Debray看来，“其他激光雷达公司提供了许多模型，甚至可定制。例如，Ouster提供大约50种不同型号，都基于相同技术，但有不同的范围、视野和分辨率。此外，为了扩大工业市场，Waymo必须与数百个不同的客户进行接触和互动。他们似乎已经在忙着Waymo One了。”

延伸阅读——相干激光雷达逐渐浮出水面

随着自动驾驶的热潮，“激光雷达”备受瞩目。现在雷达产品也五花八门，国内国外的产品都做得越来越小，外观也越来越漂亮。但是目前这些雷达90%以上都是采用同一种技术方案，即激光飞行时间(TOF)技术。

有报道指出，去年7月份成立的一家初创公司-爱莱达科技有限公司，剑走偏锋，专攻基于相干技术的激光雷达。成立短短4个月后，去年11月获得了百度和华登1800万融资，估值过亿。

在最近“青城山中国IC生态高峰论坛”上，爱莱达科技有限公司总经理潘卫清和大家分享了他们独特的相干波激光雷达方案。

一切源于TOF技术的缺陷

TOF技术优点非常的明显，首先是原理简单，通过光脉冲在目标与雷达间的飞行时间乘以光速就可以获得距离，技术路线也很简单是直接测量飞行时间，成熟度比较高，从脉冲激光发送、接收到处理均有成熟的模块组件和专用处理芯片。开发周期也很短，现在公司要做一个TOF雷达也很快。

但TOF雷达其实也存在一些问题，特别是针对未来无人驾驶，潘卫清谈到了4个主要问题：

第一，抗干扰。现在无人驾驶做测试的激光雷达基本上都是单辆车或者少数几辆车在跑，如果以后商用普及，那么路上大量的车都用同样的雷达扫描，雷达就没法识别是附近的车打来的脉冲还是自己发出的信号回波。以后自动驾驶车辆都采用这种设备，在路边很容易用相同雷达同波段的强光源去执行恶意破坏，从而导致雷达失灵。还有就是阳光强烈时，雷达会和人眼一样看不到目标了，从而带来安全隐患。

第二，探测距离——会影响车速。人类如果晚上开近光灯开车，车速就上不去，开了远光灯才能保证一定的速度；同理，激光雷达相当于车的眼睛，探测距离近的时候车速上不去。现在激光雷达做到150米到200米就很困难，一般的车用200米都采用了比较高的放射率。

第三，扫描问题。大家都想把激光雷达做成固态的，期待光学相控阵技术(OPA)方案。但OPA不仅对雷达有要求、对主机也有要求，大规模做成以后扫描的出光孔径很小，也就意味着在雷达里会带入损耗，会进一步缩短TOF的探测距离。

第四，全天候工作不太可能。例如雨、雾、雷等恶劣天气影响。

图：总结一下TOF雷达和相干雷达的对比。

上图为TOF雷达和相干雷达的对比。

首先在抗干扰能力上相干方案较强，不需任何处理，光学上就已经解决了。有效探索灵敏度非常高，直接有效探测只需要10个光子就能够精确测试。

也有人认为FMCW激光雷达也有一些局限性，比如与ToF相比需要更多的算力，因此生成全三维环绕图时速度慢。“根本不存在这个问题，这个只是行外人的一种简单推测，”记者为此特地请教潘卫清先生时他指出，“我们有具体的实测数据。”

下图是爱莱达今年开发出的相干激光雷达，目前体积较大的原因主要还是散热，设计距离3公里。发射功率在50到200毫瓦时探测距离就可超过1公里，且能完全直视太阳光工作，不受任何光的干扰。

“未来，我们的雷达还可以跟毫米波做芯片级的融合，雷达工作机制和毫米波的工作机制非常的相似，很多模块可以共用，包括信号的调制模块和处理的模块可以共用。”

来源：电子工程世界