Ouster 的独特思路：数字激光雷达如何打破传统激光雷达的桎梏？

ASIC上图为 Ouster 激光雷达产品对于自动驾驶来说，车载激光雷达的重要性不言而喻，这一领域也吸引了大批玩家蜂拥而入。然而，目前车载激光雷达面临着难量产、高成本等多重困境，加之市场竞争激烈，去年 8 月，以色列激光雷达明星企业 Oryx Vision 宣布关闭；去年 12 月，激光雷达元老级企业 Velodyne 缩减销售规模，不再在中国直接销售产品。一方面是激流勇退，一方面是逆流而上。今年 4 月初，Ouster 于中国苏州开设新办公室，助力于其在华业务的进一步扩张。相比起在激光雷达领域深耕十余年的 Velodyne，2015 年成立的 Ouster 显得十分年轻，但其研发实力却不容小视，公司两位创始人 Angus Pacala 和 Mark Frichtl 之前均为 Quanergy 的核心工程人员。包括今年 CES 上发布的超广角激光雷达 OS0 和远距离激光雷达 OS2，以及去年发布的中距离激光雷达 OS1 在内，目前，Ouster 所有型号的传感器均已量产，使用场景覆盖自动驾驶、无人机、安防等多个领域。近日，对话 Ouster 亚太区负责人 Clement Kong，了解 Ouster 激光雷达在技术路线方面有何创新，Ouster 未来又将如何应对中国市场激烈的竞争和挑战。能够“旋转”的“固态激光雷达”早些年，市场对机械旋转式激光雷达的需求更为急切，现如今，随着相关技术逐渐成熟，固态激光雷达已经成为行业的新宠。但实际上，这两种形态的激光雷达各有优劣势。机械旋转式激光雷达经过多年的发展，技术已经相对成熟，与许多感知算法的融合度更高。不过，由于结构笨重、运动部件多，机械磨损可能性增大，可靠性和性能也会因此会受到影响；同时，成本十分高昂。相比之下，固态激光雷达在体积、重量、性能、成本等多方面占据优势，但若要将现有的感知算法和传感器方案从机械旋转式激光雷达迁移过来，技术层面的难度巨大。如何才能在结合这两种激光雷达优势的同时，又不进行大规模的技术迁移？在 Ouster 创立之初，Angus Pacala 和 Mark Frichtl 就在思考这个问题。尽管他们当时选择战略性地研发机械式激光雷达，但他们希望能够研发出一种全新的固态激光雷达,即数字激光雷达。所谓数字激光雷达，我们可以理解为一种能够“旋转”的“固态激光雷达”。这种创新性的思路巧妙地结合了机械旋转式激光雷达和固态激光雷达的优势，一方面降低了成本，一方面提升了性能。随着 Ouster 第一代激光雷达产品 OS1 的诞生，Angus Pacala 和 Mark Frichtl 的愿景初步实现。今年 1 月，海内外 40 多家激光雷达公司登上 CES 舞台，Ouster 也带来了其第二代激光雷达产品，包括超广角激光雷达 OS0 和远距离激光雷达 OS2。尽管 Ouster 第二代产品与第一代采用了相同的核心技术，但性能却实现了量级提升——OS0 和 OS2 最高都可提供 128 线分辨率，性能也提升了一倍。具体来说，这两款产品都有各自适用的场景。OS0 非常适合自动驾驶车辆、卡车环视、盲区检测，以及室内机器人等应用场景；OS2 的探测距离被提升到了 240 米，满足自动驾驶和无人机远程高速的感知需求。上图为 Ouster 亚太区负责人 Clement KongClement Kong 对说道：针对一些自动驾驶量产车型，Ouster 的相关产品已经集成到了汽车挡风玻璃后或是汽车前大灯中。不过，就目前阶段而言，更多合作伙伴的自动驾驶汽车仍处于测试阶段，这种情况下，Ouster 的激光雷达通常被安装在车辆顶端或者车身周围。在今年 CES 大会期间，Flex G gate 公司展示的汽车的大灯中就安装了 Ouster 的激光雷达。此外，凭借着性能、可靠性和成本方面的表现，OS2-128 获得了今年 CES 的创新奖。当问及 Ouster如何平衡这三者之间的关系时，Clement Kong 给出了答案，他表示：对于 Ouster 而言，平衡性能、可靠性和成本三者同样重要。其中，在可靠性方面，我们在设计和生产产品时，以及最后进行测试时，都会尽可能地遵循车规级标准。如果非要做出取舍，我们宁愿牺牲一些时间，晚一点再推出更符合预期的好产品，而不是选择牺牲上述三者里的任意一个。VCSEL+SPAD 解决方案目前，固态激光雷达的主流技术路线有 MEMS、FLASH 和 OPA。Ouster 虽然选择了 FLASH 路线，但它也有自己的创新之处。以往，传统的 Flash Lidar 会发射一面光墙来探测物体，这种方式虽易于开发，但当泛光照明到一些“不必要”的区域时，会浪费激光功率。Ouster 采用的 Multi-beam Flash（多光束闪光）核心专利技术则可以解决这一难题。通过这一技术，激光雷达可用精确光束而非泛光来照明整个场景并收集光线，从而提升激光雷达整体的效率。目前，Ouster 的 Multi-beam Flash 已经获得了专利。当然，Ouster 最重磅的秘密武器还是要属 VCSEL+SPAD 解决方案。VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）可以理解为一种激光器，它比其他激光器更小更轻，也更加便于制造，功耗低至几瓦。在 VCSEL 原有优势的基础上，Ouster 还对其进行了定制化设计，将系统所需的激光器全部集成到同一颗半导体芯片之上，大幅度降低了系统的复杂性。相比之下，其他激光雷达需要在电路板上精密排布数十颗甚至数百颗昂贵的激光器芯片。SPAD（Single Photon Avalanche Diode）则可以理解为一种新的光子探测器，具有单光子灵敏度、低噪声和优异的时间分辨率等众多优势。与 VCSEL 一样，Ouster 将系统所需的所有 SPAD 集成到单颗 ASIC 芯片中。值得注意的是，Ouster 为了研发这款 ASIC 芯片注入了两年的时间和心血，内部将其称为「Whitney」。Whitney 的特殊架构赋予了 SPAD 探测器强大的计算能力，帮助激光雷达在一秒钟的时间里处理超过 1 万亿光子，产生 260 万个数据点。总而言之，VCSEL 和 SPAD 的解决方案让原本复杂的激光雷达系统简化成了两颗集成了激光器和探测器的芯片，这样基于全半导体的解决方案成本更低，而且整体的结构牢固紧凑，不容易损坏。Ouster 将上述结构作为整体与旋转装置集成在一起，就能实现 360 度的扫描。如此一来，固态的激光雷达就“转”起来了。新工厂+新市场据 Clement Kong 预计，随着 VCSEL 和 SPAD 技术的不断发展，明年，Ouster 激光雷达产品最高的探测距离将达到 300 米，最高分辨率将达到 256 线。此外，在车规级激光雷达面， Ouster 也有自己的节奏，比如尽可能地确保激光雷达每一个部件都是合规的，或者拥有极低的 PPM（零公里故障比例为百万分之一）。目前，Ouster 正努力朝着这一方向在前进，并计划于 2022 年通过 ISO26262 标准中的 ASIL B（D）等级评估。另一方面，随着 Ouster 在技术研发方面顺风顺水，业务规模也不断扩大。在过去两年里，Ouster 在欧美地区获得了大量订单。因此，除了旧金山的工厂，Ouster 最近又在东南亚新开设了一家工厂，该工厂每个月可生产上万个激光雷达。两个工厂的产能加起来足以满足客户日益增加的需求。关于 Ouster 的合作伙伴，Clement Kong 也向做了介绍。Ouster 目前拥有超过 600 个来自全球各地的合作伙伴，其中有 30% 来自自动驾驶领域。而且，Ouster 正在与欧美地区大型 OEM 展开紧密合作，在不久的将来，合作范围就会辐射到中国地区的 OEM。不过，近年来，中国激光雷达市场的竞争已经进入白热化阶段。去年 12 月，激光雷达元老级企业 Velodyne 收缩了在华业务；今年 1月，大疆旗下的 Livox 携激光雷达产品正式入场；当下，这一市场中还云集了禾赛科技、速腾聚创、Innoviz 等国内外重要玩家。直面激烈的竞争是 Ouster 进入中国市场不得不迈过的门槛。就此，Clement Kong 也与展开了讨论。他认为，不仅是中国市场，放眼全球，激光雷达市场的竞争也十分激烈。激光雷达公司倒闭、裁员的事件时有发生，这在很大程度上要归因于公司业务萎缩而导致的资金流不足。相比之下，Ouster 对自己的实力充满信心。就在刚刚过去不久的三月，Ouster 在融资方面获得了可观的进展，在 2020 年下半年，Ouster 还将会迎来新一轮融资。对于本次落户中国苏州高铁新城，Ouster 也有自己的考量。Clement Kong 表示，苏州拥有开放的氛围以及强大的人工智能生态，这些客观因素都对高科技公司有着巨大的吸引力。在苏州开设新办公室后，Ouster 工程师将帮助客户解决技术上的难题。总而言之，对于 Ouster 来说，叩开中国市场的大门，对于其未来的发展规划有着至关重要的意义，但今后如何在马太效应日益加剧的中国市场杀出重围，需要更多的思考。