隨著自動駕駛技術的發(fā)展，以及蘋果iPhone 12 Pro搭載了激光雷達，讓激光雷達在市場又火了一把。其實早在兩年前激光雷達就已經(jīng)是競爭異常激烈的賽道了，國內(nèi)外的初創(chuàng)企業(yè)眾多，技術路徑和產(chǎn)品方向也是五花八門，用從業(yè)者的話說“產(chǎn)業(yè)還處在軍閥混戰(zhàn)的階段，最終行業(yè)選擇的技術方案還沒有定下來。如果不把一家激光雷達公司的產(chǎn)品拆開看，還真不知道用的什么方案”。

iPhone 12 pro的dToF模組及其完整發(fā)射陣列

激光雷達經(jīng)過幾年的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈從芯片、模組和系統(tǒng)方案商、客戶領域都逐漸完備，上市公司從2020年底逐漸增多，各個企業(yè)都在廣積糧。領域主要分為四大類：消費類、車載類、工業(yè)類、安防類，消費類和車載類的客戶都是追求最新技術、最高性價比、且最能夠迅速起量，是各家的必爭之地，競爭也最激烈。

- 相關激光雷達芯片廠商分為傳感器芯片、光源芯片（微振鏡MEMS和OPA芯片這些光束操縱元件不在此描述）：傳感器芯片有用線性雪崩APD或者硅光子倍增管SiPM單點測量的，需要加掃描的dToF；有用蓋格雪崩二極管SPAD生成點云不需要加掃描的dToF，屬于全固態(tài)Flash；還有用圖像傳感器CIS生成點云不需要加掃描的iToF，也屬于全固態(tài)Flash；在以上基礎上增加FMCW調(diào)制抗干擾，分為掃描或者直接生成點云。光源芯片分為水平腔面發(fā)射HCSEL、垂直腔面發(fā)射VCSEL、邊發(fā)射EEL、以及LD。

- 除了大廠全產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋，專門的系統(tǒng)方案商一般只采購芯片做模組和系統(tǒng)：有用機械掃描的系統(tǒng)方案商；有用微振鏡MEMS做掃描方案的系統(tǒng)方案商；還有用OPA做掃描方案的系統(tǒng)方案商；以及面陣激光雷達一次生成點云的系統(tǒng)方案商，例如蘋果。

飛芯電子的車載激光雷達方案——基于Flash體系的長距離、抗干擾的車載激光雷達芯片

飛芯電子創(chuàng)始人雷述宇博士向36氪記者表述；“2016年前后因為業(yè)務往來頻繁接觸到一些車企和Tier 1廠商，在了解各方需求后更堅定車載激光雷達將是未來汽車市場的一條主賽道。激光雷達自二戰(zhàn)以來進展緩慢，目前仍然是發(fā)射-接收測量飛行時間的ToF原理，從這一點切入，飛芯要在激光雷達領域進行革新，推動激光雷達的發(fā)展，讓激光雷達能夠在各種領域得到應用”。

車載激光雷達路線圖【圖片來源：ISSCC2021】

從上圖不難看出，不論是純機械轉動掃描或者MEMS微機電掃描，雖然具有更好的發(fā)射條件（單位時間單位視場角內(nèi)最大的光功率密度），但以不提高收發(fā)信道技術為前提，單一以增大回波能量實現(xiàn)遠距離探測已經(jīng)很難滿足在未來復雜場景下同類設備抗干擾，以及機械結構的長時間可靠性問題。與此同時，全固態(tài)Flash雖然實現(xiàn)了全固態(tài)系統(tǒng)的高可靠性，但接收視場角的增大以及發(fā)射光功率密度的降低，又導致全固態(tài)Flash在長距離探測及抗干擾能力的問題。因此，2016年底飛芯電子成立的時候，團隊在與BOSCH Stuttgart等技術團隊共同反復論證后，明確飛芯只做全固態(tài)、非掃描的雷達芯片和系統(tǒng)方案，同時要解決傳統(tǒng)全固態(tài)Flash碰到的問題。

傳統(tǒng)Flash激光雷達無法解決同類設備干擾及視場角過大帶來的回波光功率密度嚴重退化問題

為此飛芯電子采用獨有專利[CN110389351A、WO2019200833A1]，實現(xiàn)了一種基于偽隨機序列的Flash體制長距離、抗干擾激光雷達技術。接收焦平面探測器陣列的像素單元中集成了一種與發(fā)射體系相匹配的電荷域共模信號消除技術，像素會將發(fā)射端的偽隨機序列碼中有效激光回波信號與像素內(nèi)共模消除機構同步，確?！白晕摇庇行Щ夭ㄐ盘柈a(chǎn)生的光電子收集以及對背景光與其他設備干擾信號產(chǎn)生的光生電子無法被有效“積分”，這樣就實現(xiàn)了在電荷域實現(xiàn)信號區(qū)隔與處理，大幅抑制了由模擬處理，數(shù)字量化再到系統(tǒng)級算法處理引入的噪聲及失真對于微弱有效信號的影響；同時像素級折疊積分技術擴展了動態(tài)范圍，解決了傳統(tǒng)像素單元阱容較小無法實現(xiàn)大范圍積分的能力。

飛芯電子的車載、消費類激光雷達同步研發(fā)

與此同時，基于對激光雷達技術的深度理解，飛芯也將產(chǎn)品降維延伸到消費領域，在車載激光雷達芯片的基礎上往消費類擴展，需要考量差異化的細節(jié)，例如車載激光雷達要求距離遠、動態(tài)范圍大、抗干擾，正因為這些需求導致了復雜的像素級處理技術，因此研制的面陣里面的像素有3000多個管子；而消費端產(chǎn)品要求成本低、功耗低，因此面陣里面的像素設計只需要30-40個管子，相差甚大。

飛芯在iToF產(chǎn)品逐漸完善的同時也同步開發(fā)dToF產(chǎn)品，從產(chǎn)品技術到市場領域拓展應用覆蓋面。參考芯片方案，飛芯激光雷達芯片系列有：

- 方案1. iToF接收焦平面陣列+diffuser+讀出電路硅基單片集成芯片，如果是消費類加上940nmVCSEL光源做發(fā)射，如果是車載類加上905nmVCSEL光源做發(fā)射;

- 方案2. dToF接收焦平面陣列SPAD+TDC+高速讀出硅基單片集成芯片，加上940nmVCSEL光源做發(fā)射，在消費類適用。

消費類dToF芯片、消費類iToF芯片、車載類iToF芯片、車載類iToF模組

針對消費類產(chǎn)品，飛芯iToF與目前主流廠商產(chǎn)品主要技術特征區(qū)別在于：

- 具有獨創(chuàng)的像素單元結構，該結構在保證近紅外量子效率的前提下，實現(xiàn)了動態(tài)調(diào)制機構低寄生負載的能力，便于在未來集成更高分辨率的iToF陣列規(guī)模；

- 列級動態(tài)比較器技術與相關采樣技術的加持，進一步降低共模噪聲并降低讀出電路功耗；

- 獨創(chuàng)的高低功耗自適應模式解決了高速串行接口的功耗問題。

而其dToF技術則采用了與蘋果類似的spot發(fā)射體系，但不同之處在于：

- 獨創(chuàng)的像素級快速復位及淬滅電路，進一步降低了像素的死區(qū)時間；

- 動態(tài)時間數(shù)字轉換電路架構，解決了高頻與高功耗的沖突并降低了片內(nèi)存儲空間；

- 多觸發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)技術，實現(xiàn)了100lux背景光條件下的探測。

據(jù)創(chuàng)始人雷述宇博士透露，飛芯全線產(chǎn)品將于今年下半年陸續(xù)發(fā)布，且已經(jīng)和車載端、消費端等頭部客戶展開合作，預計2021年出貨量近百萬顆（套），銷售收入約為5000萬人民幣以上。雷述宇博士透露，飛芯同時還在研發(fā)下一代方案，要在像素里做FMCW硬件調(diào)制，用像素內(nèi)的模擬電路而不是ADC后的數(shù)字域來解決，這需要解決退相干效應，最終目標是市場所有攝像頭都能夠實現(xiàn)2D和3D融合。

FMCW相干測距原理

基于對汽車產(chǎn)業(yè)的深刻認知，博世創(chuàng)業(yè)投資有限公司（以下簡稱博世創(chuàng)投）對外投資曾先后于2017年和2018年兩次投資飛芯電子。博世創(chuàng)投合伙人認為：“激光雷達在硬件方面最有技術空間，博世創(chuàng)投要投的是從事下一代純固態(tài)技術的公司，而飛芯電子則是專注于研發(fā)和制造用于機器人和無人車固態(tài)激光雷達的優(yōu)秀投資標的。即便是L4或是L5級自動駕駛尚未落地，激光雷達依然有其市場存在空間，投資飛芯電子就是在尋找科技的拐點?！?據(jù)悉，飛芯已于近期啟動B輪融資，主要用于后期產(chǎn)品研發(fā)、產(chǎn)線測試、流片量產(chǎn)、海外專利布局、團隊擴充以及后期的市場拓展等方面。

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