【導(dǎo)讀】目前，汽車中應(yīng)用的雷達(dá)模組是相對比較笨拙的系統(tǒng)，包含了多個基于不同工藝的芯片。因此，為了追求更小的尺寸和更低的成本，Infineon（英飛凌）、NXP（恩智浦）、Renesas（瑞薩）以及TI（德州儀器）正在開發(fā)在同一個器件上整合多個元件的集成雷達(dá)芯片組。
汽車市場對視覺、雷達(dá)和LiDAR（激光雷達(dá)）傳感器的需求不斷增長，因?yàn)檫@些傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)先進(jìn)輔助駕駛（ADAS）和自動/無人駕駛功能，不僅如此，汽車制造商還對傳感器供應(yīng)商提出了更加苛刻的新要求。
LiDAR、雷達(dá)以及圖像傳感器是未來自動駕駛汽車的核心支柱，圖片引自《汽車MEMS和傳感器市場及技術(shù)趨勢-2017版》
汽車市場對供應(yīng)商的要求一直很高。OEM廠商為了實(shí)現(xiàn)ADAS和自動駕駛技術(shù)，希望相關(guān)傳感器在提升安全性的同時，尺寸能夠更小、速度更快且成本更低。通常，ADAS包括多種安全功能，例如自動緊急制動、車道監(jiān)測以及障礙物警示等。
雷達(dá)，是一種障礙物探測技術(shù)，用于汽車盲點(diǎn)探測及其它安全功能。“近年來，雷達(dá)模組的尺寸獲得了大幅縮小，其散熱要求也越來越高，”NXP（恩智浦）產(chǎn)品線經(jīng)理Thomas Wilson說，“市場對雷達(dá)性能的要求越來越高，而尺寸要求不斷縮小，因此成本壓力越來越大。”
目前，汽車中應(yīng)用的雷達(dá)模組是相對比較笨拙的系統(tǒng)，包含了多個基于不同工藝的芯片。因此，為了追求更小的尺寸和更低的成本，Infineon（英飛凌）、NXP（恩智浦）、Renesas（瑞薩）以及TI（德州儀器）正在開發(fā)在同一個器件上整合多個元件的集成雷達(dá)芯片組。
盡管這些雷達(dá)芯片組可以針對多種不同的ADAS應(yīng)用，但是，它們也代表了一種新的設(shè)計(jì)趨勢。IC制造商將不再采用多種不同的工藝來制造各種芯片，而是采用45nm和28nm的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝來集成雷達(dá)器件。當(dāng)然，其它可選工藝還包括22nm體硅工藝和FD-SOI（全耗盡型絕緣硅）工藝。
實(shí)現(xiàn)ADAS和自動駕駛的另一種核心技術(shù)，激光雷達(dá)（LiDAR），是一種利用脈沖激光來測量目標(biāo)距離的技術(shù)，也正從笨重的機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)，向集成更多元件、尺寸更小的固態(tài)單元發(fā)展，以降低高昂的制造成本。
雷達(dá)業(yè)界正在開發(fā)下一代高分辨率雷達(dá)，以期替代昂貴的LiDAR，不過，LiDAR開發(fā)商也并沒有閑著。
事實(shí)上，目前并沒有任何一種技術(shù)能夠滿足所有ADAS或自動/無人駕駛要求。如今，有些汽車已經(jīng)集成了先進(jìn)的視覺系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)。接下來，它們或許還會裝配LiDAR，這意味著視覺系統(tǒng)、雷達(dá)和LiDAR技術(shù)將在一定時期內(nèi)和諧共存，共同實(shí)現(xiàn)汽車ADAS及未來的自動駕駛功能。
每一種技術(shù)都有其優(yōu)勢和短板。“LiDAR相比視覺和雷達(dá)，是一種昂貴得多的傳感器系統(tǒng)，但是，它在目標(biāo)識別方面精度更高。不過，LiDAR在雪、雨、霧等惡劣的氣候條件下也有其局限性。” Semico Research公司總裁Jim Feldhan說，“雷達(dá)似乎不太會受到天氣條件的影響，但是雷達(dá)無法像LiDAR那樣精確的確定目標(biāo)物體的尺寸和形狀。”
共同的目標(biāo)：安全性更高的汽車
為了制造安全性更高的汽車，汽車制造商急需這些專門針對車輛安全性的環(huán)境感知技術(shù)。據(jù)美國國家高速公路交通安全管理局統(tǒng)計(jì)，94%的嚴(yán)重車輛事故都是由于駕駛員的操作失誤而造成的。
為此，近年來汽車產(chǎn)業(yè)為車輛配備了越來越多的主被動安全功能。據(jù)NXP的Wilson介紹，目前產(chǎn)業(yè)正朝著兩條殊途同歸的路徑發(fā)展，即新車評價規(guī)程（NCAP）和自動駕駛技術(shù)。
近年來，亞洲、歐洲和美國推出了各自的NCAP指南。在這些新車評價規(guī)程中，汽車經(jīng)過相應(yīng)測試，基于車輛安全性給予星級評價。五星評價為最高等級，一星則最低。
“這種五星評價體系對車輛銷售產(chǎn)生了巨大影響。越來越多的消費(fèi)者傾向購買擁有五星評價的車輛，因?yàn)檫@類車輛的安全性更高，并且，保險費(fèi)用也更低，”Wilson稱。
每個主要地區(qū)都有自己的NCAP標(biāo)準(zhǔn)。但簡單來說，基本的NCAP標(biāo)準(zhǔn)都包含了多種ADAS技術(shù)，例如自適應(yīng)巡航控制、自動緊急制動、并線輔助、車道保持等。
NCAP及自動駕駛趨勢
自適應(yīng)巡航控制，能夠幫助汽車在車流中，自動調(diào)整車速、保證與前車的安全距離，進(jìn)行自動巡航。自動緊急制動功能，能夠在車輛感知到有可能發(fā)生碰撞事故前，自動進(jìn)行車輛制動。
車道保持功能，能夠幫助車輛保持在一個車道中巡航行駛，避免不安全的車道變更。而并線輔助功能，能夠在車輛轉(zhuǎn)彎或變換車道時，探測后方或側(cè)方是否有車輛等障礙物，向駕駛員發(fā)出警示或制動車輛。
NCAP發(fā)展路徑圖推動了在汽車中集成更多的傳感器。“例如，自動緊急制動功能，即需要攝像頭，也需要雷達(dá)傳感器，” GlobalFoundries（格羅方德）汽車事業(yè)部副總裁Mark Granger說，“這種技術(shù)已經(jīng)開始從超豪華汽車，下放到更多的中端車型中。”
除了NCAP之外，汽車制造商還朝著包括自動駕駛汽車在內(nèi)的另一條道路發(fā)展，自動駕駛技術(shù)也在推動攝像頭、LiDAR和雷達(dá)的需求增長。盡管，十年或更久之內(nèi)，全自動駕駛汽車并不會成為市場主流。
L3/L4級自動駕駛架構(gòu)
任何一種ADAS技術(shù)或自動駕駛技術(shù)都僅是實(shí)現(xiàn)自動駕駛架構(gòu)的一部分，它們必須能夠無縫銜接地協(xié)同工作。
“例如，應(yīng)用日益增長的V2V（車輛與車輛的互聯(lián)）以及V2X（車輛與萬物的互聯(lián)），意味著需要更多的車載雷達(dá)系統(tǒng)，”UMC市場部副總裁Steven Liu說，“這些系統(tǒng)還需要其它技術(shù)提供支持，包括汽車防碰撞雷達(dá)，全球定位系統(tǒng)，與交通信號燈及車輛調(diào)度進(jìn)行識別和交互的傳感器等。這些系統(tǒng)都需要與車輛現(xiàn)有系統(tǒng)相結(jié)合，如駕乘舒適及娛樂控制系統(tǒng)，以及控制溫度、胎壓及燃油的引擎監(jiān)控子系統(tǒng)等。”
你是我的眼
據(jù)報道，汽車制造商同時采用多種方案來實(shí)現(xiàn)ADAS。例如，Tesla（特斯拉）生產(chǎn)的車型搭載了8個攝像頭，12個超聲波傳感器和雷達(dá)。超聲波傳感器利用聲波來測量車輛與物體之間的距離。
Tesla目前還沒有采用LiDAR，是因?yàn)長iDAR技術(shù)成本太高昂。其它正在開發(fā)自動駕駛汽車的廠商，或?qū)⒃谄滠囕v中同時應(yīng)用攝像頭、雷達(dá)和LiDAR。
不管在那種方案中，先進(jìn)的視覺系統(tǒng)都是實(shí)現(xiàn)自動駕駛的核心部件。“近年來，基于攝像頭的傳感器已經(jīng)能夠提供廣泛的測距功能，例如路標(biāo)探測、車道偏離預(yù)警、遠(yuǎn)近光控制、泊車輔助以及駕駛員狀態(tài)監(jiān)測等，”TowerJazz公司CMOS圖像傳感器業(yè)務(wù)部高級副總裁兼總經(jīng)理Avi Strum說。
大陸MFC430TA、采埃孚-天合S-Cam 3和博世MPC2汽車ADAS攝像頭對比分析，圖片引自《大陸汽車ADAS攝像頭：MFC430TA》
但是，攝像頭仍無法提供所有的安全功能。“事實(shí)上，Mobileye等廠商堅(jiān)信，僅憑基于攝像頭的傳感器便能提供完整的ADAS解決方案，”Strum說，“雖然基于攝像頭的傳感器能夠在光照良好的條件下，以卓越的分辨率感知周圍環(huán)境，但是在黑暗、雨、霧、雪等惡劣環(huán)境下，這類傳感器的性能便會大幅下滑。”
這意味著基于攝像頭的傳感器還有很大的改善空間，尤其在動態(tài)范圍和近紅外靈敏度等方面，Strum補(bǔ)充道。
“雷達(dá)波”帶你浪
雷達(dá)也是ADAS和自動駕駛的核心技術(shù)之一。簡而言之，雷達(dá)通過發(fā)射毫米波范圍的電磁波，電磁波遇到障礙物后發(fā)生反射，被雷達(dá)系統(tǒng)捕獲，由此計(jì)算便能確定障礙物的距離、速度和角度。
通常，OEM廠商會在車輛中采用短距離和長距離雷達(dá)。自適應(yīng)巡航控制和自動緊急制動功能采用長距離雷達(dá)（LRR）。長距離雷達(dá)一般裝配在車輛前保險杠后方。
雷達(dá)和自動駕駛汽車
前向長距離雷達(dá)采用77GHz毫米波頻率，探測范圍覆蓋160~200米。通常，前向雷達(dá)模組集成了多種不同的組件，例如微控制器（MCU）和RF（射頻）收發(fā)器。收發(fā)器負(fù)責(zé)將雷達(dá)數(shù)據(jù)通過鏈接傳送給MCU，由MCU進(jìn)行雷達(dá)數(shù)據(jù)處理。
《英飛凌77 GHz雷達(dá)接收器和發(fā)射器：RRN7745P和RTN7735P》
MCU的制造往往基于CMOS工藝，正從55nm或40nm工藝向28nm及以下工藝節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移。同時，單獨(dú)的RF收發(fā)器一般基于高性能SiGe（硅鍺）RF工藝。也有采用BiCMOS工藝。兩種技術(shù)都源自更成熟的工藝節(jié)點(diǎn)。
前向長距離雷達(dá)仍將保持在77GHz頻段，但是器件技術(shù)正在發(fā)展。以近期的新產(chǎn)品為例，TI推出了一款單芯片雷達(dá)產(chǎn)品，在同一個器件上整合了MCU和收發(fā)器。這款雷達(dá)芯片組基于45nm RF CMOS工藝，實(shí)現(xiàn)了不同組件的集成。
“單芯片雷達(dá)傳感器解決方案相比雙芯片解決方案，具有諸多優(yōu)勢，”TI產(chǎn)品經(jīng)理Kishore Ramaiah說，“因?yàn)檫@是一種RF CMOS解決方案，它具有更低的功耗和更高的集成度，這意味著能夠帶來更小的尺寸和更優(yōu)化的BOM。”
不過，至少目前來看，前向長距離雷達(dá)或仍將大部分采用分立解決方案。“長距離雷達(dá)模組設(shè)計(jì)還存在很多變數(shù)，我認(rèn)為MCU和收發(fā)器還將在一定時間內(nèi)保持分立設(shè)計(jì)，”NXP公司的Wilson說，“隨著時間的發(fā)展，當(dāng)RF CMOS技術(shù)發(fā)展到能夠支持長距離雷達(dá)的RF性能要求時，它相比SiGe技術(shù)才會更有競爭力。我預(yù)計(jì)這兩種解決方案將在一段時期內(nèi)共存。”
而短距離（SRR）雷達(dá)模組方面則有了切實(shí)的設(shè)計(jì)革新，目前大多數(shù)短距離雷達(dá)模組的工作頻率為24GHz，探測距離約60~70米。
安裝在汽車前后方兩角的短距離雷達(dá)模組，可用于車道探測、車道保持等相關(guān)功能。同時，并線輔助功能也采用安裝在前部側(cè)方保險杠的短距離雷達(dá)。
為了使車輛獲得更先進(jìn)的ADAS功能，短距離雷達(dá)正從24GHz向更高性能的79GHz更替。采用79GHz是為了避免和前向77GHz長距離雷達(dá)發(fā)生干擾。
裝配于車輛后方兩角的雷達(dá)模組也正在從分立模式向芯片組解決方案過渡。“市場對集成收發(fā)器和MCU的RF CMOS方案很感興趣。但是，相對前向長距離雷達(dá)，市場更傾向于在車輛四角的短距離雷達(dá)上應(yīng)用芯片組集成解決方案，因?yàn)檫@些雷達(dá)需要尺寸做的更小，并且對成本更加敏感，”Wilson說。
對于這類雷達(dá)模組，OEM廠商提供了多種方案。如上所述，TI提供了采用45nm RF CMOS工藝的芯片組。而ADI和Renesas正在開發(fā)一款采用28nm RF CMOS工藝的77/79 GHz的雷達(dá)器件。同時，GlobalFoundries則提供22nm FD-SOI工藝，一種在襯底中加入薄絕緣層以抑制漏損的技術(shù)。
和體硅CMOS工藝類似，F(xiàn)D-SOI工藝能夠使芯片制造商集成包括雷達(dá)芯片在內(nèi)的多種元件。而且，F(xiàn)D-SOI還能解決其它問題。“一顆雷達(dá)單元的功耗已經(jīng)很高了。如果集成了多個雷達(dá)器件，系統(tǒng)散熱將成為一個大問題，” GlobalFoundries產(chǎn)品線管理高級總監(jiān)Bert Fransis說，“而體硅CMOS工藝無法解決這種問題。采用FD-SOI工藝，則能使每款雷達(dá)解決方案的功耗降低至1 watt以下。”
當(dāng)然，還有較傳統(tǒng)的選擇方案，采用單獨(dú)的基于SiGe的雷達(dá)收發(fā)器。“基于SiGe的短距離和長距離雷達(dá)能夠滿足汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的要求，”TowerJazz市場戰(zhàn)略高級總監(jiān)Amol Kalburge說，“采用SiGe方案最重要的是，同一顆芯片上的發(fā)射端功率放大器和接收端低噪音放大器之間的完整集成，才能使系統(tǒng)獲得最優(yōu)的性能和更低的成本。”
如上所述，雷達(dá)系統(tǒng)對于ADAS和自動駕駛應(yīng)用來說，有優(yōu)勢也有劣勢。“雷達(dá)傳感器相對來說尺寸比較緊湊，成本效益也高，因此，現(xiàn)在已經(jīng)被OEM廠商大量采用，”Kalburge說道，“目前的汽車?yán)走_(dá)解決方案，其分辨率還不足以應(yīng)對全自動駕駛應(yīng)用，現(xiàn)在正在開發(fā)新的硬件和軟件解決方案來提高雷達(dá)系統(tǒng)的分辨率。”
事實(shí)上，業(yè)界正在努力開發(fā)下一代雷達(dá)。其中一個目標(biāo)便是縮小與LiDAR之間的分辨率差距，或能進(jìn)一步取代LiDAR。“未來，我們或?qū)⒖吹嚼走_(dá)和LiDAR之間的激烈競爭，”GlobalFoundries公司的Granger說。
雷達(dá)研發(fā)方面，Imec（歐洲微電子研究中心）目前正在開發(fā)140GHz雷達(dá)技術(shù)。也有其它廠商及研究機(jī)構(gòu)正在研究成像雷達(dá)技術(shù)。“雷達(dá)技術(shù)一直在不斷發(fā)展，”National Instruments（國家儀器）公司的市場技術(shù)專家Marcus Monroe說，“新的天線設(shè)計(jì)和先進(jìn)的處理算法將為雷達(dá)帶來更高的性能和全新的功能，使其能夠用于之前無法勝任的應(yīng)用場景，例如行人探測等。”
那么成像雷達(dá)又是什么鬼？“成像雷達(dá)是一種雷達(dá)應(yīng)用，通過快速產(chǎn)生的雷達(dá)脈沖，利用反射的雷達(dá)能量來創(chuàng)建2D或3D圖像。這種技術(shù)在航天產(chǎn)業(yè)已經(jīng)應(yīng)用多年，例如陸地測繪和氣象監(jiān)測等。這種技術(shù)還沒有用在汽車?yán)走_(dá)上，可能是由于功耗和處理能力限制，”Monroe說。
LiDAR VS. 高分辨率雷達(dá)
高大上的LiDAR
LiDAR技術(shù)一直在進(jìn)步。這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于自動駕駛汽車，但不僅限于該應(yīng)用。“大家會看到LiDAR和攝像頭、雷達(dá)一起聯(lián)合應(yīng)用于ADAS系統(tǒng)，”全球最知名的汽車LiDAR供應(yīng)商Velodyne公司首席技術(shù)官Anand Gopalan說。
LiDAR和雷達(dá)不同。“LiDAR通過發(fā)射一系列脈沖激光，然后測量激光反射回來的飛行時間，”Gopalan解釋道，“再利用這些數(shù)據(jù)創(chuàng)建周圍環(huán)境的3D、高分辨率地圖。”
LiDAR目前還面臨很多技術(shù)挑戰(zhàn)，它包含了很多運(yùn)動部件，而且價格十分昂貴，但是，這一切都正在改變。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，一般情況下，汽車攝像頭模塊的售價大約30美元，而LiDAR系統(tǒng)的售價則高達(dá)3000美元以上。但是，現(xiàn)在新開發(fā)的LiDAR系統(tǒng)正朝著300美元以下而努力。
《大陸集團(tuán)最先進(jìn)的ADAS激光雷達(dá)：SRL1》
根據(jù)著名市場研究機(jī)構(gòu)Frost and Sullivan研究，現(xiàn)在，主要有三種LiDAR技術(shù)方案——機(jī)械、MEMS以及混合固態(tài)技術(shù)。機(jī)械LiDAR主要用于高端工業(yè)市場，而基于MEMS技術(shù)的LiDAR解決方案剛剛興起。
目前，有許多創(chuàng)業(yè)公司正在研究尺寸更小、更加緊湊的固態(tài)LIDAR系統(tǒng)。固態(tài)LiDAR不含或僅含很少的可動部件。
Velodyne公司目前的主力LiDAR產(chǎn)品
LiDAR采用的主要核心組件包括，激光二極管、光電探測器以及處理單元。
據(jù)Frost and Sullivan介紹，LiDAR利用激光二極管發(fā)射一束波長905nm的脈沖激光，投射出100萬個光子，不過，僅有1個光子能夠反射回系統(tǒng)。
因此，LiDAR制造商在系統(tǒng)中集成了最多64個激光器，來提高發(fā)射出的光子數(shù)量。通過激光器每發(fā)射10億個光子，大約能收集到1000個反射回來的光子。此時，便利用系統(tǒng)中的光電探測器來感知并捕獲一定視場角（field of view）內(nèi)反射回來的光子信號。因此，太陽光和天氣條件可能會影響探測器的信噪比。
光電探測器通過計(jì)算反射光子的飛行時間，便能計(jì)算獲得LiDAR與物體之間的距離。“信號處理非常復(fù)雜，需要采用FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）或處理器等高密度處理單元，”Velodyne公司的Gopalan說。
一直以來，LiDAR都朝著集成更多功能，同時不斷降低成本的目標(biāo)而努力。“我們采用了自己開發(fā)的ASIC技術(shù)，將很多重要的功能集成到一組ASIC中，”Gopalan說，“短期內(nèi)，我們不認(rèn)為可以在一顆單芯片上集成完整的LiDAR系統(tǒng)，但是會盡可能的朝這個方向努力。市場將會看到一款高度集成的、具有完整功能的多芯片LiDAR模組。”
LiDAR中的其它組件也在朝著高度集成化發(fā)展，例如激光二極管驅(qū)動器，它負(fù)責(zé)為激光二極管提供電流。
例如，Velodyne采用了來自EPC公司（宜普電源轉(zhuǎn)換公司）的基于GaN（氮化鎵）技術(shù)的激光二極管驅(qū)動器芯片。據(jù)EPC公司首席執(zhí)行官Alex Lidow稱，基于GaN技術(shù)的開關(guān)速度比硅技術(shù)要快100倍。
EPC第五代低壓（100V）GaN晶體管，圖片引自《EPC增強(qiáng)型GaN-on-Silicon功率晶體管：EPC2045》
“得益于GaN器件的快速開關(guān)速度、高電壓和高電流性能，激光器每次脈沖的時間更短，發(fā)射的光子數(shù)量更多，”Lidow說，“因此，LiDAR系統(tǒng)能夠‘看’得更遠(yuǎn)，分辨率更高，更快地創(chuàng)建周圍環(huán)境的3D數(shù)字地圖。”
基于GaN的激光二極管驅(qū)動器占據(jù)LiDAR系統(tǒng)總成本的不到5%。“GaN晶體管已經(jīng)逐漸被GaN集成電路所取代，將在改善性能的同時進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，”Lidow說。
EPC的GaN激光二極管驅(qū)動器由Episil（漢磊）的代工廠加工制造，基于350nm工藝。隨著時間的推移，EPC計(jì)劃逐步遷移至130nm工藝。
LiDAR系統(tǒng)中另一個關(guān)鍵組件是光電二極管，一種負(fù)責(zé)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的半導(dǎo)體器件。對于LiDAR應(yīng)用，目前主要有四類光電二極管：pin光電二極管、雪崩光電二極管（APD）、單光子雪崩二極管（SPAD）以及硅光電倍增管（SiPMs）。
“探測器技術(shù)的選擇主要取決于波長的選擇，” Gopalan說，“在905nm波段，硅APD在增益和信噪比方面仍是最可靠的技術(shù)。SiPMs仍極具前景，但是它們在LiDAR系統(tǒng)級的信噪比優(yōu)勢還有待進(jìn)一步證明。”
那么未來這些技術(shù)將如何發(fā)展？攝像頭、LiDAR以及雷達(dá)，很有可能將和諧共存。“這些技術(shù)各自都無法單獨(dú)支撐ADAS或自動駕駛系統(tǒng)，” Gopalan說，“對于雷達(dá)來說，相比LiDAR，它還有很大的空間來增強(qiáng)數(shù)據(jù)、補(bǔ)充環(huán)境感知信息。而攝像頭，也將繼續(xù)作為第三種傳感器，成為LiDAR和雷達(dá)的最佳‘隊(duì)友’。”
（來源：麥姆斯咨詢）
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