基于Flash体系的长距离、抗干扰的车载激光雷达芯片

随着自动驾驶技术的发展，以及苹果iPhone 12 Pro搭载了激光雷达，让激光雷达在市场又火了一把。其实早在两年前激光雷达就已经是竞争异常激烈的赛道了，国内外的初创企业众多，技术路径和产品方向也是五花八门，用从业者的话说“产业还处在军阀混战的阶段，最终行业选择的技术方案还没有定下来。如果不把一家激光雷达公司的产品拆开看，还真不知道用的什么方案”。

iPhone 12 pro的dToF模组及其完整发射阵列

激光雷达经过几年的发展，产业链从芯片、模组和系统方案商、客户领域都逐渐完备，上市公司从2020年底逐渐增多，各个企业都在广积粮。领域主要分为四大类：消费类、车载类、工业类、安防类，消费类和车载类的客户都是追求最新技术、最高性价比、且最能够迅速起量，是各家的必争之地，竞争也最激烈。

- 相关激光雷达芯片厂商分为传感器芯片、光源芯片（微振镜MEMS和OPA芯片这些光束操纵元件不在此描述）：传感器芯片有用线性雪崩APD或者硅光子倍增管SiPM单点测量的，需要加扫描的dToF；有用盖格雪崩二极管SPAD生成点云不需要加扫描的dToF，属于全固态Flash；还有用图像传感器CIS生成点云不需要加扫描的iToF，也属于全固态Flash；在以上基础上增加FMCW调制抗干扰，分为扫描或者直接生成点云。光源芯片分为水平腔面发射HCSEL、垂直腔面发射VCSEL、边发射EEL、以及LD。

- 除了大厂全产业链覆盖，专门的系统方案商一般只采购芯片做模组和系统：有用机械扫描的系统方案商；有用微振镜MEMS做扫描方案的系统方案商；还有用OPA做扫描方案的系统方案商；以及面阵激光雷达一次生成点云的系统方案商，例如苹果。

飞芯电子的车载激光雷达方案——基于Flash体系的长距离、抗干扰的车载激光雷达芯片

飞芯电子创始人雷述宇博士向36氪记者表述；“2016年前后因为业务往来频繁接触到一些车企和Tier 1厂商，在了解各方需求后更坚定车载激光雷达将是未来汽车市场的一条主赛道。激光雷达自二战以来进展缓慢，目前仍然是发射-接收测量飞行时间的ToF原理，从这一点切入，飞芯要在激光雷达领域进行革新，推动激光雷达的发展，让激光雷达能够在各种领域得到应用”。

车载激光雷达路线图【图片来源：ISSCC2021】

从上图不难看出，不论是纯机械转动扫描或者MEMS微机电扫描，虽然具有更好的发射条件（单位时间单位视场角内最大的光功率密度），但以不提高收发信道技术为前提，单一以增大回波能量实现远距离探测已经很难满足在未来复杂场景下同类设备抗干扰，以及机械结构的长时间可靠性问题。与此同时，全固态Flash虽然实现了全固态系统的高可靠性，但接收视场角的增大以及发射光功率密度的降低，又导致全固态Flash在长距离探测及抗干扰能力的问题。因此，2016年底飞芯电子成立的时候，团队在与BOSCH Stuttgart等技术团队共同反复论证后，明确飞芯只做全固态、非扫描的雷达芯片和系统方案，同时要解决传统全固态Flash碰到的问题。

传统Flash激光雷达无法解决同类设备干扰及视场角过大带来的回波光功率密度严重退化问题

为此飞芯电子采用独有专利[CN110389351A、WO2019200833A1]，实现了一种基于伪随机序列的Flash体制长距离、抗干扰激光雷达技术。接收焦平面探测器阵列的像素单元中集成了一种与发射体系相匹配的电荷域共模信号消除技术，像素会将发射端的伪随机序列码中有效激光回波信号与像素内共模消除机构同步，确保“自我”有效回波信号产生的光电子收集以及对背景光与其他设备干扰信号产生的光生电子无法被有效“积分”，这样就实现了在电荷域实现信号区隔与处理，大幅抑制了由模拟处理，数字量化再到系统级算法处理引入的噪声及失真对于微弱有效信号的影响；同时像素级折叠积分技术扩展了动态范围，解决了传统像素单元阱容较小无法实现大范围积分的能力。

飞芯电子的车载、消费类激光雷达同步研发

与此同时，基于对激光雷达技术的深度理解，飞芯也将产品降维延伸到消费领域，在车载激光雷达芯片的基础上往消费类扩展，需要考量差异化的细节，例如车载激光雷达要求距离远、动态范围大、抗干扰，正因为这些需求导致了复杂的像素级处理技术，因此研制的面阵里面的像素有3000多个管子；而消费端产品要求成本低、功耗低，因此面阵里面的像素设计只需要30-40个管子，相差甚大。

飞芯在iToF产品逐渐完善的同时也同步开发dToF产品，从产品技术到市场领域拓展应用覆盖面。参考芯片方案，飞芯激光雷达芯片系列有：

- 方案1. iToF接收焦平面阵列+diffuser+读出电路硅基单片集成芯片，如果是消费类加上940nmVCSEL光源做发射，如果是车载类加上905nmVCSEL光源做发射;

- 方案2. dToF接收焦平面阵列SPAD+TDC+高速读出硅基单片集成芯片，加上940nmVCSEL光源做发射，在消费类适用。

消费类dToF芯片、消费类iToF芯片、车载类iToF芯片、车载类iToF模组

针对消费类产品，飞芯iToF与目前主流厂商产品主要技术特征区别在于：

- 具有独创的像素单元结构，该结构在保证近红外量子效率的前提下，实现了动态调制机构低寄生负载的能力，便于在未来集成更高分辨率的iToF阵列规模；

- 列级动态比较器技术与相关采样技术的加持，进一步降低共模噪声并降低读出电路功耗；

- 独创的高低功耗自适应模式解决了高速串行接口的功耗问题。

而其dToF技术则采用了与苹果类似的spot发射体系，但不同之处在于：

- 独创的像素级快速复位及淬灭电路，进一步降低了像素的死区时间；

- 动态时间数字转换电路架构，解决了高频与高功耗的冲突并降低了片内存储空间；

- 多触发系统实现技术，实现了100lux背景光条件下的探测。

据创始人雷述宇博士透露，飞芯全线产品将于今年下半年陆续发布，且已经和车载端、消费端等头部客户展开合作，预计2021年出货量近百万颗（套），销售收入约为5000万人民币以上。雷述宇博士透露，飞芯同时还在研发下一代方案，要在像素里做FMCW硬件调制，用像素内的模拟电路而不是ADC后的数字域来解决，这需要解决退相干效应，最终目标是市场所有摄像头都能够实现2D和3D融合。

FMCW相干测距原理

基于对汽车产业的深刻认知，博世创业投资有限公司（以下简称博世创投）对外投资曾先后于2017年和2018年两次投资飞芯电子。博世创投合伙人认为：“激光雷达在硬件方面最有技术空间，博世创投要投的是从事下一代纯固态技术的公司，而飞芯电子则是专注于研发和制造用于机器人和无人车固态激光雷达的优秀投资标的。即便是L4或是L5级自动驾驶尚未落地，激光雷达依然有其市场存在空间，投资飞芯电子就是在寻找科技的拐点。” 据悉，飞芯已于近期启动B轮融资，主要用于后期产品研发、产线测试、流片量产、海外专利布局、团队扩充以及后期的市场拓展等方面。

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