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雷鋒網按：想在 2021/2022 年推出達到 Level 4/5 級別（SAE）的全自動駕駛汽車，冗余傳感器系統(tǒng)的大量應用必不可少。眼下，半自動駕駛系統(tǒng)已經用到了多種雷達和攝像頭系統(tǒng)，真正起到決定性作用的高分辨率長探測距離（300 米）便宜的激光雷達還處在設計開發(fā)的初級階段。在大多汽車行業(yè)專家看來，想要實現真正的全自動駕駛，雷達、攝像頭和激光雷達三套系統(tǒng)都必不可少。
本文探討了這三套系統(tǒng)的主要功能，它們各自的優(yōu)勢和劣勢及技術的發(fā)展程度。此外，本文還從制造商的角度討論了智能和成本優(yōu)化解決方案中半導體零部件的地位。
據雷鋒網了解，自動駕駛的準確定義其實現在依然懸而未決。如果一輛車搭載了巡航控制和限速功能，它可以稱得上自動駕駛嗎？當然不能。不過如果車輛用到了自適應巡航（ACC），且司機能短暫的將控制權交給車輛自己呢？
下圖中，我們給出了自動駕駛的不同分類方式，這是由不同組織或機構制定的標準。
一般來說，Level 0 意味著沒有自動駕駛，司機要負責控制一切。
Level 1 則意味著車輛進階到了輔助駕駛階段，在行駛中輔助系統(tǒng)能為司機分擔不少任務（如 ACC）。
Level 2 意味著車輛進入半自動化狀態(tài)，不過司機需要全程監(jiān)控系統(tǒng)。同時，至少一個車載系統(tǒng)（如巡航控制和車道保持）實現全自動化。
Level 3 代表有條件的自動駕駛。司機需要時刻監(jiān)控系統(tǒng)并在關鍵時刻介入。當然，一些安全功能也會在某些情況下自動介入。
Level 4 就是高級別的自動駕駛了，不過它無法覆蓋所有的駕駛情況（如惡劣氣候），且受到車輛操作設計的限制。不過，司機無需繼續(xù)監(jiān)控路況了。
Level 5 是自動駕駛的終極狀態(tài)，車輛能應對任何狀況，司機們宣告徹底失業(yè)。
從現有情況來看，還沒有制造商能拿出 Level 3 以上的自動駕駛量產車。不過，一些國家的立法機關則正在討論為 Level 3 自動駕駛汽車開綠燈，用戶最快將于 2020/2021 年在市場上買到此類車輛。
想要實現 Level 1-5 級別的自動駕駛，到底需要哪些傳感器？這個問題我們已經作了回答：攝像頭、激光雷達和雷達三套系統(tǒng)必不可少。
有些人會問，現在車上普遍用到的倒車雷達以后還有用嗎？答案是否定的。不過，在 Level 1/2 上就用到的攝像頭和雷達系統(tǒng)依然是更高級別自動駕駛的先決條件。
車輛會用到各種不同的傳感器
現在的攝像頭系統(tǒng)普遍使用 CMOS 圖像傳感器，像素維持在 100-200 萬左右。單色或者立體相機與雷達系統(tǒng)配合使用，就能實現車速、車距、障礙物或移動物體輪廓的精準探測。近程（24 GHz）和遠程（77 GHz）雷達則安裝在車輛前后以監(jiān)控交通情況，它們的可視范圍可覆蓋車輛前后幾厘米到幾百米的范圍。
在量產車中，激光雷達系統(tǒng)還很少見，由于產能低且價格昂貴，因此激光雷達技術的潛力還沒得到充分挖掘。
文章接下來的部分，我們將對上述提到的三大系統(tǒng)進行抽絲剝繭，它們的優(yōu)勢、劣勢，現在的開發(fā)狀態(tài)和未來的潛力都會一一提到，絕對不容錯過。
后置和 360 度攝像頭
攝像頭提供的清晰圖像不但能讓人類駕駛員看到更多細節(jié)，還非常適合作為自動駕駛汽車的輸入參數。后置和 360 度攝像頭能幫助司機再現車外的復雜環(huán)境。如今，2D 攝像頭已經可以在中控屏上投射車外圖像甚至車輛的轉彎角度了，而豪華車上能提供虛擬和 3D 圖像的攝像頭正逐漸成為標配。
要想提供栩栩如生的 3D 圖像，一般車輛至少要安裝 4-6 個攝像頭。此外，系統(tǒng)軟件在處理圖像拼接問題時必須非常小心，否則很有可能丟失信息或者制造出奇怪的重影。
值得注意的是，無論是 2D 還是 3D 攝像頭，都需要搭載動態(tài)范圍超過 130 db 的圖像傳感器。如果連這樣的標準都達不到，在攝像頭遭受陽光直射時，就會短暫“致盲”。眼下，市場上最棒的圖像傳感器動態(tài)范圍可達 145 db，同時 ISP 圖像信號處理器色深可達 24 bit，普通產品根本無法望其項背。
圖像傳感器還需要另一個重要參數，那就是光照強度。市場上能買到最棒的圖像傳感器照度可達 1 mlx，幀率則為 30 幀/秒。
現在汽車上裝載的后置和 360 度攝像頭系統(tǒng)一般采用集中式架構，這就意味著一個中央控制單元需要處理 4-6 個攝像頭傳來的原始數據。由于整個處理過程都在軟件中完成，因此處理器的性能必須相當強悍，添加 FPGAs 成了硬件加速的最佳方案。不過，這也就意味著功耗會大幅提升。此外，現有數據壓縮方式的限制也讓數據存儲成了一大障礙。
既然集中式架構有自己天然的劣勢，我們何不換一種方式？
攝像頭系統(tǒng)分類概覽
上圖就是一種新思路，圖像處理任務被分配給了攝像頭，隨后的數據則通過以太網傳輸到車輛主機。這樣一來，圖像的聚合與再現就完成了。
2020 年以后，車載攝像頭系統(tǒng)大多數都會數字化。現在的數字攝像頭系統(tǒng)則會接收原始數據，隨后將其處理并推送至顯示單元（如下圖所示）。
集中式圖像處理
如果是去中心化的處理方式，則會徹底消除攝像頭控制單元（ECU）的影響，讓智能攝像頭和主機獨立行事。從細節(jié)上來說，這種方式也需要在攝像頭內進行兩步處理（如下圖所示）。
處理過程要分兩步進行
第一步完全在智能攝像頭內進行，整個過程會完成一些幾何轉換，如圖像畸變、重疊層的處理和圖像壓縮。此外，以太網的處理和串流也會同步進行。
第二步則發(fā)生在中央攝像頭模塊中，系統(tǒng)會進行視頻解碼，隨后通過中繼存儲器將圖像投射到屏幕上。
這種方式讓后置攝像頭能壓縮并將數據通過以太網傳輸到主機。下圖就是一款高度集成后置智能攝像頭的技術細節(jié)。
未來智能攝像頭的應用會將來自 4 顆攝像頭的視頻信號合并成 360 度視角的畫面（如下圖）。
前置攝像頭系統(tǒng)
這些攝像頭系統(tǒng)（中遠程）都是“火眼金睛“，它的視野范圍覆蓋了車輛前部 100-275 碼（約合 91.44-251.46 米）的區(qū)域。它會利用算法自動探測物體，進行分類并判斷與車輛間的距離。除了探測行人、自行車、機動車、馬路牙子、橋墩和隔離帶，算法還能看懂交通標志和信號燈。
中程攝像頭會在十字路口、行人突然竄出和前方車輛緊急剎車時警告駕駛員。同時它還能肩負起交通標志線和信號燈的探測任務。遠程攝像頭則負責識別交通標志、控制車距和道路引導。
雖然前置攝像頭相當重要，但它不需要進行色準信號再生，因為該圖像傳感器只需提供直接的原始數據就行。一般來說，該系統(tǒng)還需要配備搭載 RCCC 矩陣的濾色器，因為它能提供比 RGB 濾色器更高的光照強度。
當然，中程和遠程攝像頭也有區(qū)別，那就是它們的視場。中程攝像頭系統(tǒng)用到的水平視場為 70-120 度。未來的系統(tǒng)可能不會嚴格區(qū)分中程和遠程，僅通過光學系統(tǒng)就能完成切換。為了實現該目標，未來的圖像傳感器至少要升級到 700 萬像素以上。
以往的事故數據顯示，有 76% 的事故都單純由人的錯誤引發(fā)，而事故原因包含人的因素的更是高達 94%。
ADAS 系統(tǒng)需要雷達傳感器的支持，而雷達也是實現自動駕駛功能的一大功臣。值得一提的是，雷達其實是個縮寫，而其全稱 Radio Detection And Ranging 其實已經說明了它的作用，即利用無線電波對物體進行探測和定位。
現在的雷達系統(tǒng)主要基于 24 GHz 或 77 GHz 兩個波段，其中 77 GHz 的優(yōu)勢主要在于距離和速度測定的準確性，此外其角分辨率也更加精準。同時，運行于該波段的雷達系統(tǒng)天線得以瘦身，干擾問題也更小。以下為近程雷達（SRR）應用與中遠程雷達（MRR/LRR）應用的主要區(qū)別。
其中近程雷達應用包括：
盲點探測（盲點監(jiān)控）
車道和車道變更助手
用于碰撞預警和防撞功能的后置雷達
泊車輔助
交叉車流監(jiān)控
中遠程雷達應用包括：
剎車輔助
緊急剎車
車距保持
SRR 應用設計之初是為了替換超聲波傳感器并對高度自動駕駛提供輔助。因此，傳感器會被安裝在車輛四角。此外，車輛前部還會安裝用于遠程探測的前視傳感器。當然，車輛每一邊還要安裝其他輔助傳感器。
理想狀態(tài)下，這些雷達傳感器會使用 79 GHz 頻段，帶寬則為 4 GHz。不過，現在的全球頻率規(guī)范只允許 77 GHz 頻段 + 1 GHz 帶寬。眼下，雷達微波單片集成電路（MMIC）的一個普通分區(qū)就配備了 3 個發(fā)射通道和 4 個接收通道。業(yè)內主要的爭論點是要不要在 MMIC 中集成基帶處理能力，要不要將精力集中在原始數據雷達傳感器上。
其區(qū)別在于基帶處理器能提供所謂的“目標預判”，這就意味著它能輸出預先處理的數據，如未驗證的速度、距離、信號強度、探測到物體的水平角度和垂直角度等信息。原始數據雷達傳感器則能提供未過濾的原始數據，隨后交給 ECU 處理。下圖就是原始數據雷達傳感器的基本架構。
原始數據雷達傳感器架構
以上圖為例，基帶被整合進了雷達過程控制器中，而雷達傳感器會給過程控制器提供未過濾的原始數據。這種方案有多重優(yōu)勢，首先將基帶融合進過程控制器能節(jié)省空間和關聯成本。
其原因在于，在射頻應用中制造商可以使用相對簡單的 CMOS 細線來替代經過特殊優(yōu)化的新技術。
第二點優(yōu)勢主要涉及功率損耗問題，雷達傳感器的功率損耗可以轉移到控制單元。由于控制器的空間比雷達傳感器大得多，因此控制功率損耗要簡單的多。
最后，由于整個過程中沒有過濾或壓縮，因此數據沒有損耗，信號處理和靈活性方面就增加了更多可能。對于原始數據雷達來說，數據速率也不是問題，因為數據可借助 MIPI CSI-2 通信接口（見下圖）進行傳輸。
MIPI CSI-2 通信接口
需要注意的是，該接口并不是什么新玩意，它已經用在了視頻環(huán)繞系統(tǒng)中。同時，該架構非常適合上圖中的原始數據雷達，因為通信接口包含了四條數據線，正好與接收器輸出接口一一對應。此外，通訊接口的帶寬也與 1-1.5 Gbit/s 相匹配。
雷達傳感器的分塊還簡化了視頻的數據融合，雷達和未來的激光雷達數據也能受益，因為它們能使用相同的通訊接口（見下圖，MMIC 路線圖）。
MMIC 的開發(fā)需要一個前提條件，那就是專用的高頻技術，它能滿足需要的頻率（24 GHz 或 77 GHz），并提供相應的輸出功率。
眼下，SiGe 異性雙極晶體管已經用上了高頻技術，單片式 130 nm CMOS 處理器也用在了邏輯集成電路上。幾年前，ST 就用 BiCMOS9 技術生產了 24 GHz 的 MMIC。同時，用新型 BiCMOS9MW 技術生產的 77/79 GHz 基帶，CMOS 結構寬度最低也超過了 130 nm。
未來，雷達系統(tǒng)頻段可能會升至 122 GHz，ST 已經為此準備了 B55 技術。該技術讓 SiGe 異性雙極晶體管的傳輸頻率能超過 320 GHz。此外，在系統(tǒng)中融合 55 nm CMOS 數字邏輯也成了可能。
除了優(yōu)化后的 BiCMOS 技術，ST 還能通過自主開發(fā)的 FD-SOI 技術完成 SoC 整合。當然，制程僅為 28 nm。下圖是 MMIC 的開發(fā)路線圖，24 GHz 頻段的最新產品是 A431 區(qū)塊，它搭載了 1 臺發(fā)射機和 3 臺接收機。路線圖上的 26 GHz 基帶零部件則專為美國市場開發(fā)。
MMIC 路線圖
路線圖上的 77/79 GHz 基帶零部件中，A770/A772 均處在開發(fā)狀態(tài)。下圖中的 A770 MMIC 無線電收發(fā)機已經是集成度相當高的解決方案了。
A770 77/79 GHz 無線電收發(fā)機架構
A770 是一款單片式集成無線電收發(fā)機，適合中遠程應用，它包含 3 臺發(fā)射機、4 臺接收機、1 臺可配置斜坡發(fā)生器、1 臺集成 ADC（模數轉換器）和 1 個 MIPI CSI II 接口。在應用時，該區(qū)塊可以級聯更多的發(fā)射和接受頻段，其外殼采用陶瓷 EWLB 材質制成，體積為 9 mm x 9 mm。
眼下，技術人員正在對集成了雷達和基帶功能的單片式 SoC 進行可行性測試。不過，這種產品有優(yōu)勢也有劣勢，未來其前途如何恐怕還要經過細致的市場研究和商業(yè)考量。
在汽車行業(yè)，激光雷達是個相對較新的系統(tǒng)，正越來越受歡迎。激光雷達制造商們正在不斷研發(fā)和改進自己的解決方案，誓要趕上 2020/2021 的關鍵時間節(jié)點。
那么到底什么是激光雷達？激光雷達依靠是激光而不是無線電波。除了激光發(fā)射器，這套系統(tǒng)還需要一個敏感的接收器。激光雷達系統(tǒng)能探測靜態(tài)和動態(tài)物體，并提供被探測物的 3D 圖像。
眼下，激光雷達已經不是什么新鮮玩意，任何人都能從商店抱一臺回家，且精確度能滿足一般需要。不過，想讓它克服一切環(huán)境因素（溫度、太陽輻射、黑夜、雨雪天）穩(wěn)定工作并不容易。此外，車載激光雷達還得能看 300 碼（約合 274 米）遠。最重要的是，這樣的產品必須能以市場可接受的價格和體積進行大規(guī)模量產。
激光雷達在工業(yè)和軍事領域已經應用。不過，它畢竟是一種擁有 360 度全景視角的復雜機械透鏡系統(tǒng)。由于單個成本高達數萬美元，因此激光雷達 暫時還不適合在汽車產業(yè)大規(guī)模部署。
如今，汽車市場開始流行兩大趨勢，它們均采用紅外激光雷達系統(tǒng)搭配 MEMS 系統(tǒng)（微型電機系統(tǒng)），不過一種激光雷達是旋轉的，另一種是固態(tài)的。
在詳細介紹這些技術的差別前，我們先來聊聊接收系統(tǒng)的問題。
接收系統(tǒng)的主要任務是認出激光雷達發(fā)出和從物體上反射回來的激光束。它們必須極端敏感，甚至能“抓到”單個光子。眼下，最先進的激光雷達 設備已經用上了 SPAD（單光子雪崩二極管）技術。
其實這里用到的原理很簡單（見下圖），由于那些外形特殊的二極管PN結有偏差，因此一個光子就能引發(fā)二極管中的雪崩擊穿電流。二極管電流的突然升高會被相應的電路“抓到”，它會輸出最新的數字信號以供進一步處理。
SPAD 傳感器單元的原理
下圖展示了使用 SPAD 傳感器單元進行測距的原理，其關鍵是激光脈沖從發(fā)射到反射再到接收整個過程的時間。
LiDAR 測距的原理
下面兩張圖詳細講述了兩種激光雷達的測量方式。
固態(tài) LiDAR 系統(tǒng)
MEMS LiDAR 系統(tǒng)
如果 MEMS 系統(tǒng)用上了微反射鏡，那么單獨的激光束就會以線型完成運動，隨后 SPAD 單元中的光學傳感器會對反射的光子進行評估。一套系統(tǒng)想要滿足要求，其精度、壽命、適應性和可靠性都必須禁得起考驗。同時它還需要用到可更換的零部件。
其實乍一看，那種沒有可更換零部件的系統(tǒng)造起來并不難。不過事實上，整套系統(tǒng)里有超過 100 個激光二極管，此外還有與其配套的大型接收器陣列。同時，激光二極管的脈沖寬度必須控制在納秒范圍內，電流也只有幾安培，這對半導體驅動器來說絕對是個大挑戰(zhàn)。
當然，兩套系統(tǒng)都還在開發(fā)之中。從半導體制造商的角度來看，這兩套系統(tǒng)用到的半導體都不難解決，不過 SPAD 陣列可不好實現。如果想把成本降到 100 美元，就必須用新工藝激活和控制激光二極管陣列。此外，與其配套使用的 MEMS 技術也正在開發(fā)中。
想達到 Level 3 及以上的自動駕駛，我們必須為車輛安裝至少三套傳感器系統(tǒng)：攝像頭、雷達和激光雷達。雖然必要的半導體、攝像頭、雷達傳感器技術已經相當成熟，但在技術和商業(yè)化問題上，激光雷達系統(tǒng)依然面臨巨大挑戰(zhàn)。
我們提到的系統(tǒng)到底誰能勝出現在很難預測，不過從半導體的角度來看，固態(tài)激光雷達勝出的可能性最大。
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