激光雷達到底該放在哪
撰文/ 譚 薇
編輯/ 黃大路
設計/ 師 超
2024年的新車型中，大熱的問界 M9 、新版的極氪001和陷入輿論風暴的智己 L7 都是全系標配激光雷達，市場上對於激光雷達“是否必要”的爭論也告一段落，越來越多的消費者開始認同“激光雷達=高階智駕”的概念，這個曾經與自動駕駛高度綁定的傳感器，正在以一種更平易近人的姿態走進千家萬戶。
與現在汽車工業流水線上的標準件相比，激光雷達早期的產品定位更像是“精準測距的精密儀器”。它的尺寸龐大，工藝複雜，價格昂貴，在研發和製造的過程中幾乎不用考慮外觀的藝術感與工程的可靠性。諸多自動駕駛公司對激光雷達的早期需求也完全從功能角度出發，用奇形怪狀的支架把碩大的激光雷達堆在車頂，以實現360°的測距覆蓋範圍。
進入21世紀第二個10年，隨着激光雷達的應用全面進入乘用車市場，在車規量產的標準約束下，激光雷達的尺寸與外觀再也不能像過去那樣“野蠻生長”。爲了匹配車身的流線型設計與緊湊的可安裝空間，激光雷達的產品高度上限被嚴格定義在 45mm~50mm 以內，同時，作爲直接外露視窗殼體的傳感器，清潔、加熱、抗碎石衝擊等附加性的功能需求也都羅列在新的需求清單裡。
即便如此，因爲選配激光雷達造成的“犄角”外觀一直充滿爭議。雖然消費市場正在像接受 iPhone 的“劉海屏”一樣接受汽車的“激光獨角”，但就像大家都在期待 iPhone 的“屏下攝像頭”方案一樣，激光雷達的“艙內方案”也在各個廠商的研發計劃裡緊鑼密鼓地推進着。
從艙外到艙內，是激光雷達產品形態的一次大躍遷。它不僅能夠解決長期以來困擾車企和消費者的審美需求，還將在性能、成本和可靠性這三個至關重要的因素上重新定義激光雷達的產品標準。
把激光雷達關進艙內的準備步驟
廣義上的艙內方案，是指將現在車頂的激光雷達安裝在正下方風擋玻璃後方的位置，與後視鏡和前視攝像頭集成一體化設計。這種方案往前溯源，其實還有一段關於激光雷達應該如何“上車”的小插曲。
在激光雷達剛剛步入乘用車時代的2021與2022年，對於它安裝位置的爭論一直未分勝負。以理想汽車爲代表的“車頂派”認爲，激光雷達安裝在車頂“站得高，看得遠”，可以獲取更廣闊的視野範圍，不容易受到近距離障礙物的遮擋。以小鵬汽車爲代表的“車前派”則表示，車前雙側的安裝可以覆蓋更多的水平視野，更有利於路面信息的檢測，尤其是針對地線邊緣以及低矮障礙物等目標。
上述兩派言論都有嚴謹的內在技術邏輯與立場，其中或有衝突，卻不耽誤雙方通過不同的硬件系統方案實現相近的智駕感知功能。但是，隨着近兩年激光雷達新車型的增多，“車頂派”逐漸成爲主流，其背後的原因卻與雙方早期的論點相去甚遠。
原因一：成本。2023年中國車載激光雷達出貨量接近60萬臺，2024年突破100萬臺也只是時間問題。在激光雷達與智駕體驗的關係已經毋庸置疑的時候，迫於降本與內卷的市場壓力，大家只能把問題的關注點從“用不用”轉移到“用幾顆”，在智駕體驗比拼沒有拉開質的差距之前，車頂1顆激光雷達的方案在成本上要明顯優於車前2顆。尤其是激光雷達車型已經下探到15-20萬元區間的時候，智駕系統的每一分成本都要精打細算，“4顆以下不要說話”註定成爲曇花一現的風景，“只要1個就好”纔是當前最經濟實用的落地方案。
原因二：盲區。測遠能力是衡量智能汽車前向感知的激光雷達的第一核心指標，各個激光雷達廠商在強調新品性能時，無一不是把 200m-300m 的測遠能力擺在第一位，因此人們往往會忽視激光雷達的一個系統短板 —— 遠與近不可兼得。多數前向激光雷達的感知“甜點區”是在 5m~150m 這個範圍，太遠了，點雲稀疏無法提供高置信度的目標物信息，太近了，120°x25°的視場覆蓋能力無法窺見場景的全貌。
同時，激光雷達製造商們也會把自己產品的最小感知範圍標註在 0.5m 前後。這是因爲目標物越近光反射越強，過強的光反射會帶來大量的噪聲信息並干擾測距的精度。車前安裝的方案看似物理盲區更小，但實際上也要在 0.5m-1m 外的距離才能提供高質量的點雲數據，而車頂安裝的方案則可以憑藉車前蓋約1.5m的長度完美掩蓋自身的盲區短板，從而更好地滿足測遠的性能需求。
原因三：可靠性。衆所周知，所有傳感器的性能都會受到外部惡劣環境的影響，雨雪、霧霾這樣的天氣條件對安裝在車前和車頂的激光雷達可謂是一視同仁，但路面濺起的碎石和泥污就只對車前安裝的激光雷達“情有獨鍾”了。有意思的是，雖然視窗清潔、加熱等功能早早寫在車企傳遞給激光雷達廠商的需求裡，但實際落地的產品卻鳳毛麟角，因此激光雷達對外部髒污遮擋的處理能力幾乎約等於你的洗車頻率。
由於上述三個原因，相比於讓2-3顆激光雷達在前方"衝鋒陷陣"，車企更願意把它“束之高閣”，從而規避盲區的缺陷以及路面狀況可能造成的各種可靠性風險。
然而，“束之高閣”的激光雷達除了是影響整車造型美觀的“顯眼包”，還有許多不可避免的外部風險，比如一片雨天的落葉，一坨來自鳥類的排泄物…… 總之，在變化萬千的大自然有太多“意外”會挑戰和影響激光雷達的高精度與高置信度。爲了最小化風險，聰明的工程師們研發出了新的產品方案 —— 把激光雷達關進艙內。
圖片來源：Seyond▼
關進艙內的優勢
2023年的上海車展前夕，禾賽科技發佈了國內首款艙內激光雷達 ET25，並強調該產品聯合福耀玻璃一起打造，得以實現“性能不受影響”“造型高度僅有 25mm”“工作噪音小於 25dB”，一時掀起了業內對於艙內方案關注的熱潮。
其實早在2018年，禾賽ET25的合作者福耀玻璃就已經開始邀請主流的激光雷達公司參與他們的研發項目，測試前風擋玻璃對激光波段的影響和損耗。除了福耀，韋巴斯特也提出過把激光雷達集成到車頂全景天幕裡的想法，歐司朗的團隊也發表過把激光雷達集成到車燈內的方案……國內外知名 Tier-1 對於激光雷達的集成方案的熱情遠比我們預期來得早，也更爲高漲。
到了2024年CES的舞臺上，法雷奧和 AGC 等 Tier-1 和集成商已經開始展示基於艙內方案的 Demo 效果，基於車燈的集成方案也在 Innoviz 的展臺上窺見真容。由此可見，“艙內”激光雷達的產品形態並非天馬行空的一家之言，而是產業鏈上下游玩家協同合作多年方纔取得的不易成果，我們看到的也許只是冰山一角。
激光雷達走進艙內究竟有哪些優勢呢？是什麼驅使着整個產業鏈爲此而努力的呢？
優勢1：風阻。李想在 MEGA 的新車發佈會上濃墨重彩地介紹“公路高鐵”造型的由來，爲了降低風阻係數，背後的設計與工程團隊付出了數不清的努力和汗水。同樣，雷軍在小米 SU7 的發佈會上對整車外觀設計和風阻係數也不吝讚美之詞。令人好奇的是，如果將兩款車型頭上凸起的激光雷達換成艙內方案，風阻係數還會再降低多少。按照之前業內分享的信息，車頂有無激光雷達的風阻係數差別大致在 0.01cd 左右，因此造成的高速續航里程差別可能在20km 上下。（無更多實測數據，如有錯誤煩請指出）
圖片來源：禾賽科技▼
優勢2：美觀。審美是個仁者見仁智者見智的事情，我們很難用一條準繩去定義車型的醜美，但其中還是有些共性可以借鑑的，比如黃金比例的分割要比不規則的分割更具美感，完整的平滑曲線造型要比不規則的凸起造型更具美感，車頂的激光雷達之於整車造型也是如此。在仰望 U8、理想 L9 這樣的 SUV 車型上，激光雷達的犄角尚處於可以接受的狀態，甚至還有消費者另行購買激光雷達的塑料件去給低配車型“升級”。但是在注重流線造型的轎車與轎跑車型上，我相信隱藏式設計的艙內方案會是更受歡迎的選項。
優勢3: 集成。在艙內方案的設計中，激光雷達會與主攝像頭進行高度一體化的設計，大疆車載也在近期發佈了相似的產品模型。這樣設計的好處在於它極大地縮減了激光雷達視場與攝像頭視場在物理座標系上的空間誤差，降低了融合感知的配準難度，爲實現效率更高的前融合和深度融合在硬件層面打下良好的基礎。
圖片來源：Wideye▼
優勢4：可靠性。把激光雷達關進艙內其實是一個追求技術變量“確定性”的過程，因爲整個車艙內部的環境因素都是可衡量與可預期的，你不會遇到因爲夏日暴曬殼體溫度突破90℃的極限情況，你不會遇到任何飛濺的泥污或鳥類排泄物，你再也不需要視窗加熱、清洗這些工程成本高卻收益甚微的功能。你需要做的只是在這個溫度上下限可控，有前擋玻璃替你遮風避雨的環境內安安靜靜地把感知這一件事做好。
擁有“確定性”總是美好的，但是爲此付出的代價必將是一個漫長的過程。
關進艙內的代價
在激光雷達上車伊始，對於技術路線的爭吵就不絕於耳。激光波段的 905nm 與 1550nm 之爭，掃描方式的轉鏡掃描與 MEMS 掃描之爭，探測器件的 SiPM 與 SPAD 之爭，信控層面的 FPGA 與 MCU 之爭。現在有些爭論已經有了答案，比如降本的大環境下 1550nm 方案已經註定被淘汰出局。也有些爭論纔剛剛開始，比如 SiPM 和 SPAD 哪個纔是探測端的終局選擇。還有些爭論，可能要因爲艙內方案的出現重新掀起波瀾，掃描方案就是其中的典型。
在2021和2022年，乘用車激光雷達定點主要集中在禾賽和速騰兩家激光雷達公司，他們也分別代表了轉鏡與 MEMS 兩種不同掃描技術路線的差異，業內一度認爲手握大量定點的速騰會將 MEMS 定義爲掃描路線的終局方案。但是，隨着禾賽出貨量的攀升，華爲、探維等公司新產品的發佈，轉鏡方案逐漸成爲業內共識的主流方案。
其實轉鏡與 MEMS 的爭論可以簡化爲 1D 掃描與 2D 掃描的差異。1D 掃描就是靠轉鏡的水平掃描覆蓋激光雷達所需的水平120° 視場角，豎直方向25°的視場角則需要依靠激光發射與接收的陣列分佈來實現。2D 掃描就是在掃描層面完成120°x25°視場的覆蓋，對於激光發射與接收的陣列分佈空間需求大大縮小。因此在元器件與性能相同的情況下，2D 掃描可以實現更小的產品尺寸，1D 掃描雖然具備更高的可靠性，但是在優化產品的外觀尺寸上受限於收發器件的集成度，高度尺寸很難縮小到 40mm 以內。
由此引出了激光雷達進入艙內的第一個代價 —— 尺寸。
在艙內方案中，所有集成於座艙上方的傳感器都需要與擋風玻璃之間留有一定的空間，稱爲 Keep Out Zone (KOZ)。而傳感器的高度尺寸越大，其所需要的 KOZ 也越大，對駕駛員的視野遮擋就會越嚴重。因此，激光雷達想進入艙內必須優化高度尺寸，比如 25 mm 厚的禾賽 ET25，與 45 mm 厚的其他遠距激光雷達相比，其 KOZ 要小一半以上，能夠有效降低對駕駛員視野的影響。
圖片來源：禾賽科技▼
由此可見，在當前激光雷達收發器件集成條件下，除非大幅降低對激光雷達線數和分辨率的需求，否則 1D 掃描方案的產品想進入艙內難度極大，各個廠商必須尋求掃描方案的突破或收發陣列更高的集成度，纔有可能滿足艙內方案的尺寸需求。
衆所周知，激光雷達作爲一個精密的光學傳感器，任何干擾激光傳播的介質都會影響其感知的性能，艙內方案也不例外。首先，激光雷達廠商必須通過新的光路設計，保證 FOV 在艙內尺寸的限制下不受影響。其次，常規的風擋玻璃的塗層和夾層都會吸收激光雷達常用的 905nm 與 1550nm 等波長的紅外光，因此，艙內激光雷達 KOZ 對應的風擋玻璃區域必須減少厚度，並通過特殊塗層提升 905nm 波長的通過率，最大可能降低折射和衰減的現象。
不過，再薄的玻璃、再好的塗層也無法改變物理性質引起的光信號損耗，對此，激光雷達廠商的說法是可以將性能衰減控制在5%以內，而玻璃廠商的口徑更加保守，大致是10%-15%之間。
這就是激光雷達進入艙內的第二個代價 —— 性能與成本。
艙內方案會讓激光雷達在性能衰減的同時增加整車的成本（更貴的前風擋玻璃與系統方案），這顯然與當下"性能更好，成本更低"的訴求背道而馳。研發肯定不想要一個精度和測距都退步的傳感器，市場也更願意把成本花在冰箱、彩電、按摩沙發這些消費者看得見摸得着的座艙體驗上，銷售也不會願意指着懸在駕駛員頭上的黑盒子介紹"這是我們最新研製的傳感器造型"……
由此可見激光雷達的艙內方案在解決性能與成本的關鍵問題之前很難普及，這也是禾賽等廠商把艙內產品的交付節點都放在2025、2026年之後的原因。
除此之外，艙內方案還有諸如 NVH、電磁干擾之類的工程問題需要在量產交付的過程中進行驗證和解決，就像 iPhone 遲遲沒有推出屏下攝像頭一樣，短期內我們依然要爲功能實現的完善程度進行設計上的妥協。
圖片來源：大疆車載▼
尾聲：激光雷達的"量變"與"質變"
CES2024上，禾賽科技推出了 AT512，速騰聚創發佈了 M3，法雷奧和 Innoviz 等海外廠商也展示了高性能的車載新品。在出貨量節節攀升，看似一片大好的市場節點上，激光雷達的產品演進路線其實已經遇到了瓶頸。
與攝像頭只需要一片 CMOS 進行感光像素的提升相比，激光雷達成像需要同時處理髮射、掃描和探測三個環節，想在性能大幅躍遷的同時控制好產品的尺寸、成本和功耗是一件短週期內不可能完成的任務。當然，我們可以寄望探測端的器件升級大大降低性能提升的硬件壁壘，但是目前手握核心器件話語權的依然是海外大廠，這樣無異於將現下積累的行業優勢再度拱手讓人。
更糟糕的是，當下競爭白熱化的智駕市場並沒有留給激光雷達多少自證價值的空間，降本交付提升市佔率是遠比提升性能更爲現實和重要的任務。尤其是從融合感知的角度來看，激光雷達單純線數與測遠能力的提升在整體智駕方案中的邊際效益逐漸降低，"量變"並非工程師們對點雲的核心訴求，"質變"纔是他們更願意嘗試和探索的新領域。
給激光雷達賦予速度信息是產品性能上的質變，這也是 FMCW 雖然距離落地尚遠，但車企都願意佈局並嘗試的原因。造一臺激光攝像機是產品功能上的質變，天然附着 RGB 信息的點雲或具備高精度測距信息的圖像，它可以提供每一位感知算法工程師夢寐以求的原始數據。然而，對最重要的市場終端用戶而言，把激光雷達關進艙內是產品形態層面的質變與躍遷，只要時機把握得當，它可以重新引領產品與系統的話語權。
整個激光雷達行業正處在瓶頸的關口，這個關口在降本的壓力下直徑越縮越小，只有少數玩家可以在剩餘不多的時間裡衝過它，完成階段的蛻變，優勝劣汰的遊戲換了一個又一個賽道重複上演。不過幸運的是，一旦我們來到瓶頸的另一端，就有能力與資格去描繪更具創造性與技術美感的未來藍圖。