华为avatr阿维塔11激光雷达详细拆解和系统方案
2024-05-21 20:11:43
华为作为中国自动驾驶技术第一梯队的卓越代表，其激光雷达产品也备受瞩目，不过关于华为激光雷达的公开资料非常少，即便是有也非常粗略。
【一】华为激光雷达的市占率
2023年，中国车用激光雷达（自主品牌）总出货量约71万台，其中，速腾聚创是24.3万台（2022年是3.69万台）位列第一，禾赛是19.49万台（2022年是6.2万台），图达通大概超15万台，华为预计7万台，另外探维科技、览沃科技等其他大概合计5.21万台。
销量占比如下图所示：
图2（2023年自主品牌车用激光雷达销量）
中国是车载激光雷达的主要市场，2023年由于自动驾驶量产车型的增多，激光雷达出货量取得了大幅的增加。
2024年依然会保持增长势头，其中，速腾聚创财报显示，截止到2023年底，速腾聚创已经与22家车企及Tier 1取得定点合作，车型涉及63款。其中有12家车企的24款车型SOP，速腾将2024年的出货量目标定在了100万台。
禾赛科技预计在2024年底实现12家车企的40种车型达成SOP，2024年出货量预计大幅增长至60-70万台。
华为目前的主要客户是问界、阿维塔、极狐、智界、哪吒等，对应车型相关信息如下所示。随着问界等车型的热卖，2024年华为激光雷达的出货量会有大幅提升。
图3（华为汽车各品牌所用激光雷达）
【二】华为激光雷达和其他产品的性能对比
下图汇总了目前主流的激光雷达产品主要性能指标，对比如下所示。
图4（目前主流的激光雷达产品主要性能指标）
说明：上图数据来源于各公司官网和行业信息，将各产品依据标称的测距和角分辨率在坐标系中进行大致摆放，主要目的在于从特定的角度对部分性能进行对比，这些指标并无法代表激光雷达的全部性能，仅做参考。
从这张图可以看出很多信息，其中：
华为96线激光雷达（型号：D2）距离发布有3年半的时间，从测距和分辨率指标来看，在当前主流产品中已不占优势。
华为192线激光雷达（型号：D3）相对于速腾M1P和禾赛AT128，测距和角分辨率指标相当或者略高，和其他更高性能产品相比，尚有差距。
【三】华为96线激光雷达拆解
2020年12月，华为正式发布其首款车规级激光雷达产品 ——96线中长距
激光雷达L107。
核心参数：
● 测距：150m@10%；
● 水平FOV：120°，垂直FOV：25°；
● 角分辨率：0.25°（H）×0.26°（V）
● 刷新频率：最高25Hz
图5（96线中长距激光雷达）
下图阿维塔11上安装了3颗华为96线激光雷达，其中1颗前向，2颗在侧面。
图6（阿维塔11上安装了3颗华为96线激光雷达）
阿维塔的激光雷达有L106和L107两种型号，应该1个是前雷达，1个是侧雷达。这两种型号外形相同，不同点可能是不同安装位置做了微小适配，内部原理应该相同。
图7（阿维塔激光雷达有L106和L107的标签）
【1】整体结构
这款雷达采用较为规整的长方体外形，视窗口是一个矩形平面，和车身配合较为方便。整体外观如下：
图8（阿维塔11激光雷达控制器总成外壳）
阿维塔11激光雷达控制器总成L107尺寸如下，相对于速腾M1P和禾赛AT128，这个雷达的尺寸是比较大的。
图9（阿维塔11激光雷达控制器总成外壳尺寸）
阿维塔11激光雷达控制器总成L107，拿掉上壳之后的内部结构图：
图10（阿维塔11激光雷达控制器总成L107内部结构图）
阿维塔11激光雷达控制器总成L107将底壳也去掉之后，核心电路板的连接关系图：
图11（阿维塔11激光雷达控制器总成L107核心电路板的连接关系图）
阿维塔11激光雷达控制器总成L107连接原理图：
图12（阿维塔11激光雷达L107连接原理图）
阿维塔激光雷达L107整体设计非常紧凑，大量使用软排线进行板间连接，电路板设计也非常规整。
【2】电机模组（扫描模块）
该激光雷达采用转镜进行水平方向上的扫描，有4面反射镜。
图13（激光雷达L107电机模组=扫描模块）
电机模组的4个视图如下：
图14（激光雷达L107电机模组的4个视图）
在靠近激光出入口的位置，合金架涂上了黑色吸波材料，用于吸收多余的激光束杂散和反射，减小干扰。
【3】收发模组
收发模组是该雷达最复杂的一个结构，原理如下：
图15（阿维塔激光雷达L107收发模组原理图）
为了尽可能的表达清楚，从4个45°角度拍摄了4张照片，标记如下4图：使用了索尼产的
IMX459
图16（阿维塔11激光雷达L107模组4个角度图）
发射光路
发射光路方案：
图17（阿维塔11激光雷达L107发射光路方案图）
两个发射板电路完全相同，上面主要是驱动EEL激光发射器：
图18（阿维塔11激光雷达L107有四个EEL激光发射器）
该雷达每块发射板上有4个EEL，两块发射板一共8个EEL。
EEL后面是准直镜：
图19（EEL后面的准直镜）
通过准直镜后，发射板1的激光由一个反射镜反射后到达分束器，发射板2的激光直接到达分束器。
一共8个EEL光束，由分束器分为96个激光束，然后由棱镜最终调整角度后射出。
图20（8个EEL光束，准直镜，分束器，棱镜图）
接收光路
接收器主要包括接收镜头、滤光片和SPAD等，由于接收板是用胶粘在支架上，本次拆解并没有打开。下图是拆解图片，显示是一颗来自索尼的SPAD激光雷达传感器IMX459
【4】主板
阿维塔11激光雷达一共有2块主板，由于上面分别有TDA4和FPGA，因此暂时分别命名为TDA4主板和FPGA主板。
TDA4主板
图22（TDA4主板和FPGA主板）
● TPS6594-Q1：TI的具有五个降压稳压器和四个低压降稳压器的汽车类 2.8V 至 5.5V PMIC；
● LP8764-Q1：4 5-A/20-A multiphase buck converters PMIC for automotive SoCs；
● RTL9010：REALTEK的具备MACsec加解密功能的，车用高能效以太网PHY芯片；
TDA4AL Jacinto(TM)处理器：
图23（TDA4AL Jacinto(TM) 处理器）
TDA4AL Jacinto(TM) 处理器主要性能：
● 两个C7x浮点、矢量DSP，性能高达1.0GHz、160GFLOPS、512GOPS；
● 深度学习矩阵乘法加速器(MMA)，性能高达8TOPS(8b)（频率为1.0GHz）；
● 具有图像信号处理器(ISP)和多个视觉辅助加速器的视觉处理加速器(VPAC)；
● 深度和运动处理加速器(DMPAC)，双核64位Arm?Cortex?-A72微处理器子系统，性能高达2GHz–每个双核Cortex?-A72集群具有1MBL2共享缓存–每个Cortex?-A72内核具有32KBL1数据缓存和48KBL1指令缓存；
● 六个Arm?Cortex?-R5FMCU，1.0GHz–16K指令缓存，16K数据缓存，64KL2TCM–隔离MCU子系统中，有两个Arm?Cortex?-R5FMCU–通用计算分区中，有四个(TDA4VE)或两个(TDA4AL/TDA4VL)Arm?Cortex?-R5FMCU；
● GPU IMGBXS-4-64，256kB缓存，高达800MHz，50GFLOPS，4GTexels/s（TDA4VE和TDA4VL）；
FPGA主板
图24（阿维塔11激光雷达L107 FPGA主板）
采用一片来自于LATTICE的低功耗FPGA：
图25（阿维塔11激光雷达L107 LATTICE的低功耗FPGA：LIFCL-40 7BG256A B3092T02）
【5】阿维塔11激光雷达L107其他部件
在镜面背部有4个接触点，在组装之后分别和电路板的4个弹簧触点接触，推测应该是加热丝的接口，用于加热视窗面，防止积雪。
图26（4个视窗加热防冻接触点）
【四】华为96线激光雷达技术分析
对于华为96线激光雷达，分析如下：
【1】华为96线激光雷达采用了905nm波长激光。905nm技术占据89%的市场份额，1550nm激光测距范围更远，但是成本较高。速腾M3和禾赛AT512分别采用了940nm和905nm技术，测距能力超过了现有的1550nm产品。
图27（阿维塔11激光雷达L107905nm波长激光图）
图片来源：San Francisco State University《Absorption Spectra_Atmosphere》
图达通公司之前主要使用1550nm技术，目前也推出905nm方案的Robin E产品。
图28（905纳米激光雷达市场份额图）
图片来源：YOLO《Automotive LIDAR Market: Competitive Dynamics, Technology Evolution, and Revenue Trends》（Automotive LiDAR conference 2023, October 3-5 ）
【2】华为96线激光雷达采用转镜+电子扫描方式，这种方式是目前半固态激光雷达较为主流的扫描方式。
转镜是目前应用最广的路线，包括禾赛、华为、图达通、镭神智能等大多数厂商都有采用转镜路线的产品。转镜路线的核心要素是电机控制，以及针对特定波长高反射率的镀膜反射镜。
转镜一般搭配振镜或者线光源实现激光扫描，其中，转镜用于水平扫描，振镜或者线光源用于垂直扫描。因此，“转镜+振镜”也被常被称为2维扫描，“转镜+线光源”被称为1维扫描或者1维扫描+电子扫描。
“转镜+线光源”的优势在于发射的是连续的线光斑，因此垂直方向的分辨率非常高。禾赛AT128的转镜+电子扫描：
图29（禾赛AT128的转镜+电子扫描）
图达通公司falcon激光雷达采用“转镜+振镜”方案，该方案灵活度较高，通过改变转镜和振镜的转速，能够设计灵活的ROI。
图30（图达通公司falcon激光雷达采用“转镜+振镜”方案）
MEMS振镜是另一种扫描路线，主要是速腾聚创在使用，体积较小。由于MEMS微振镜口径较大，但在极端振动条件下使用时，良率较低，MEMS方案可能会被逐渐放弃，速腾聚创在下一代的M3产品中也由MEMS改为了转镜+电子扫描方式。
图31（MEMS振镜扫描路线将在未来十年逐渐减少市场份额）
图片来源：YOLO《Automotive LIDAR Market: Competitive Dynamics, Technology Evolution, and Revenue Trends》（Automotive LiDAR conference 2023, October 3-5 ）
速腾M1P的MEMS扫描：
图32（速腾M1P的MEMS扫描方式）
【3】华为96线激光雷达发射光路和接收光路是非同轴的，使用各自的透镜，即旁轴光路，该光路优点是成像清晰程度较高，缺点是近场盲区较大。
目前速腾、禾赛等产品基本都是采用同轴光路。同轴光路是收发共用一组透镜，检测更为直接，易于对光路进行校准，近场盲区小。缺点是成本稍高，内部结构稍复杂，而且成像清晰程度比独立的旁轴成像要稍差。
禾赛的AT128的同轴光路：
图33（禾赛的AT128的同轴光路）
【4】华为96线激光雷达采用EEL激光器。近些年，多家激光器公司开发多层VCSEL激光器，将发光功率密度提升了5-10倍，凭借在成本及性能方面的优势，从目前趋势来看，VCSEL正逐步取代EEL。华为的下一代192线激光雷达，也采用了VCSEL激光器。
图34（VCSEL正逐步取代EEL）
EEL和VCSEL的指标对比：
图35（EEL和VCSEL的指标对比图）
【5】华为96线激光雷达采用SPAD作为接收器。在905nm路线下，SPAD/ SiPM替代 APD 已成大势。SPAD/SiPM面临的一个比较明显的挑战是自然光干扰，尤其是强烈日光的干扰。强烈的阳光入射会导致 SPAD单元饱和，并且在恢复初始状态前都无法吸收光子，因而有可能漏掉真正的反射信号。
图36（环境光对SPAD可造成明显干扰）
资料来源：Anant Gupta et al.《Photon-Flooded Single-Photon 3D Cameras》
所以在强烈的日光下，使用 SPAD/SiPM 的激光雷达经常会出现探测距离明显下降的问题。虽然目前已有一些算法进行日光干扰的处理，但往往效果并不完美，有时还会引入额外噪声，所以 SPAD 对自然光的处理还有一些挑战。
【6】华为96线激光雷达处理器采用了TDA4和FPGA，分立程度较高。目前激光雷达的一个发展方向是采用集成度越来越高的SoC，将SPAD、TIA、ADC 等都集成到 SoC 中，进一步降低成本，提升性能。具行业消息，禾赛AT512和一径科技的EZ6已经采用了集成度相当高的SoC处理器。
图37（禾赛AT512和一径科技的EZ6采用了集成度相当高的SoC处理器）
【五】总结
华为96线激光雷达发布于2020年，虽然从指标上看，比现在的主流产品稍显落后，不过在相当多的技术方案上，和目前主流的激光雷达发展方向契合。
2023年12月26日，华为发布192线激光雷达。
图38（华为发布192线激光雷达）
华为192线激光雷达采用VCSEL+SPAD收发链路，以及转镜+电子扫描架构。具体参数：
● 测距：250米（最远），180米（10%反射率）
● 点云密度：184万点/秒
● 水平角分辨率：0.25°（@20Hz扫描），0.125°（@10Hz扫描）
● 垂直分辨率：0.1°
● 扫描频率：最高20Hz
图39（华为192线激光雷达采用VCSEL+SPAD收发链路，以及转镜+电子扫描架构）
参考资料：
中信证券，激光雷达产业深度研究：从拆解五款激光雷达看智能驾驶投资机遇，https://zhuanlan.zhihu.com/p/568700438
传感器专家网，暴涨450%，超71万台！中国激光雷达遥遥领先！网友：被制裁不冤，https://mp.weixin.qq.com/s/mgXlzelZd5OBIIS9XhmUtg
Yvon Shong，聚焦激光雷达（四）——光学系统，https://zhuanlan.zhihu.com/p/622652543
速腾聚创官网：https://www.robosense.cn/product
禾赛科技官网：https://www.hesaitech.com/cn/
图达通官网：https://www.seyond.cn/
