光學AI、固態量產,「億維瑞光」鐳射量子鬼成像雷達聚焦無人車難題

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智慧化汽車時代的到來也帶來了各類車載感測器的爆發,鐳射雷達、毫米波雷達和攝像頭是公認的三大無人車核心感測器。為了達到更高階的自動駕駛,鐳射雷達無疑是最重要的增量配件,谷歌、 奧迪福特 和百度等公司研發的無人車均已配備了鐳射雷達,威馬、蔚來、智己、小鵬和哪吒等造車新勢力也都在今年釋出了基於鐳射雷達的產品和發展路線圖。目前,鐳射雷達正逐漸向產品化和大規模商業化過渡,並正在為無人車的最終量產鋪平道路。

據中金預測,未來五年內中國鐳射雷達市場規模將從50億元快速攀升至近400億元。到2025年,全球鐳射雷達市場規模有望從目前的150億美元左右上升至千億級別。鐳射雷達之所以將全面爆發,從根本上來講,是因為車載鐳射雷達比攝像頭、毫米波雷達等在測距精度、抗干擾等方面有更好的表現。值得一提的是,當前車載鐳射雷達逐步從匯入期進入成長期,不確定性開始增大,未來技術路線的選擇、量產客戶的開拓、融資能力等都將左右鐳射雷達的競爭格局。

美國、德國、以色列等國的公司從事鐳射雷達的開發起步較早,技術較成熟。由於技術 壁壘 高,國內主攻研發用於無人駕駛汽車的鐳射雷達賽道“玩家”不多。

但鐳射量子鬼成像雷達,中國技術走在了國際前沿。

量子成像從1995年首次實現至今已有20多年的歷史。目前,量子成像已經徹底拋棄了糾纏光源、走出了條件要求嚴苛的實驗室環境,同包括壓縮感知在內的各個領域形成了多學科交叉,並進一步被引入了鐳射探測的領域。鐳射量子鬼成像雷達能夠傳統神經網路的框架下在光學探測的過程中實現不依賴GPU或AI晶片的視場分割和目標識別,能夠顯著提升惡劣天氣條件下目標的成像和識別效果,而其低劑量高靈敏度的探測效能則可為未來無人車流情況下的裝置和人眼安全提供有力保障。在此基礎上,量子鬼成像的又可同可定址VCSEL陣列相結合,進而實現鐳射鬼成像雷達的真固態與可量產。

近日,36氪接觸到一家鐳射量子鬼成像雷達領域的國內創新企業深圳億維瑞光科技有限公司(以下簡稱“億維瑞光”)。

中國科學院上海光學精密機械研究所的韓申生研究員是國際公認的量子鬼成像雷達領域的權威專家。王霄鵬博士基於此前和韓申生研究員在量子成像領域的學術合作發起創立了億維瑞光,並吸納了包括國際一線鐳射雷達公司市場和銷售團隊在內的一批行業“老兵”。

王霄鵬團隊認為,固態鐳射量子鬼成像雷達這一具有中國自主智慧財產權的技術路線將成為關鍵突破口。固態鐳射量子鬼成像雷達將為市場帶來真正固態的、可量產的、更安全的產品,大幅緩解現有無人車算力緊張、保障無人車流場景中的人眼安全和裝置安全,併為無人物流行業提供價格低、高可靠、全天候、全天時的成像鐳射雷達。

鐳射雷達的技術壁壘和現實挑戰,會由中國人突破嗎?帶著對這個前沿技術領域的諸多問題,36氪和億維瑞光創始人王霄鵬進行了一次深入的探討。

1. 無人車領域的一個核心痛點是算力緊張

在車前放一個易拉罐,無人車如何判斷它是什麼?對於一臺配備有高級別輔助和自動駕駛功能的車輛,它首先會由車載相機和鐳射雷達對其進行掃描和成像,然後再對獲得的影象和點雲進行融合。融合完畢後的資料被進一步送入車載GPU或者AI晶片中,由預先訓練好的神經網路進行判斷並得出它究竟是個杯子,是個手機,還是個易拉罐。

由於無人車所面對的路況往往非常複雜,所以其所需要處理的資料量十分龐大。據國內某一線L4自動駕駛公司核心技術人員透露,目前車載計算平臺約60%以上的算力都消耗在了感知演算法對鐳射雷達點雲的處理上,用以應對複雜的車流和路況。因此在進一步優化相關演算法對資源和算力消耗的同時,各大公司對更高效能的GPU或AI晶片都給予了非常高的關注和期待。英偉達、 特斯拉 和英特爾每年都推陳出新、釋出更強的車載晶片,而如地平線、寒武紀等國產後來者也不甘示弱,算力不斷提升,同時推漲了估值。

固態鐳射量子鬼成像雷達可解決無人車對車載晶片算力的高要求

無人車對車載晶片算力的高要求的根本在於鐳射雷達的實時點雲資料量過於龐大,因而其傳輸和處理都受到了硬體效能的限制。不同於某些現有的鐳射雷達公司的簡易方案(鐳射雷達不輸出點雲而輸出簡單的識別結果),億維瑞光的固態鐳射量子鬼成像雷達將原本執行在GPU或者AI晶片上的神經網路搬運到了光學探測的過程中,一邊探測一邊對視場進行分割、對目標進行識別,進而免去了對於點雲的硬體傳輸和車載晶片上的處理,極大地緩解了無人車對車載晶片的算力要求。

億維瑞光固態鐳射量子鬼成像雷達所依賴的技術基礎,就是王霄鵬博士和韓申生研究員課題組在2016至2017年間合作完成的工作:“當時韓老師和我在測試通訊領域誤差控制編碼在成像場景中重構目標的效能。然而在後續的實驗中我們意識到其實這個帶有學科交叉特色的idea本質上是將神經網路搬到了光學探測的過程中,” 王霄鵬進一步解釋:“不同於市面上已有的線掃模式鐳射雷達產品,我們的量子鬼成像雷達可以不對車、對人或者對障礙物做任何空間資訊的解算,通過探測光場中各節點資訊的組合,對車、人、路面或者障礙物進行光端的類神經網路運算,直接得到這些目標的分割和識別結果。這是量子鬼成像雷達最具特色的性質之一。” 

2. 真固態與可量產

根據掃描型別進行劃分,目前市場上常見的鐳射雷達產品有機械旋轉掃描式、MEMS掃描式、旋轉反射和折射稜鏡掃描式、光學相控陣OPA掃描式和閃光照相Flash式。根據測距的原理進行劃分,目前市場上常見的鐳射雷達產品有脈衝測距型TOF類,調頻連續波FMCW類,三角測距類等。本質上來說,固態鐳射雷達就是掃描機構完全沒有移動部件的鐳射雷達,一般不特指某種具體的測距原理。

目前在市面上比較受資本關注的是基於MEMS原理的、OPA原理的和Flash模式的鐳射雷達。從目前的情況來看,MEMS和基於旋轉折反射器件原理的鐳射雷達仍然沒有完全符合車規級量產的標準,這一點也是跟這些雷達或多或少都有一些或大或小尺寸的移動部件有關。OPA和Flash模式的鐳射雷達則更有希望成為無人車配套的車規級感測器,但是前者始終存在系統效率低的難題,而後者也同樣面臨著核心器件供應受限的難題。高效能多通道SPAD陣列同樣也把持在像索尼、安森美和濱松等壟斷巨頭的手中。

可定址VCSEL陣列光源

在這樣一個背景下,億維瑞光的固態鐳射量子鬼成像雷達的另一個突出特點是:不同於已有的鐳射雷達產品,量子鬼成像雷達的系統結構是基於可程式設計陣面光源和單畫素接收器。因此對於線掃方案而言,可程式設計陣面光源的引入在保證固態的同時解決了點雲空間資訊的獲取問題,而對於Flash方案而言,單畫素接收的使用則解除了對於國外廠商高效能多通道面陣探測器的依賴。作為可程式設計面陣光源的典型代表,億維瑞光的研發團隊具備可定址VCSEL陣列光源的豐富設計經驗。

“在國內成熟的電信級加工和封測能力的加持下,”王霄鵬補充道:“我們的固態鐳射量子鬼成像雷達將會為市場帶來真固態、可量產、可靠低價的產品。”

3. 無人車流下的人眼安全、裝置安全與抗串擾

隨著自動駕駛技術的逐步鋪開,越來越多安裝著鐳射雷達的無人車出現在公眾的視野裡。在可預見的2-3年內,無人車流這一現象就會出現在道路上。假設一臺無人車裝備有3臺鐳射雷達,那麼將會伴隨著無人車流一同出現的是密度極大的鐳射雷達點雲,這時候不僅是人眼的安全,交通相機或者公安的音影片採集裝置都會面臨很大的安全威脅,鐳射雷達之間的串擾也會變得十分顯著。不誇張地說,彼時的場景很可能將會是,不同無人車之間由於鐳射雷達的相互干擾變得不可靠,路邊已有的交通和公安的裝置頻頻受到干擾而變得不可用,甚至行人和人類司機的視覺也會受到威脅。

“不同於現有的鐳射雷達方案,量子鬼成像雷達先天性地具備低照度條件下的探測能力,”王霄鵬解釋道:“這一點我們團隊成員早期在研究所的實驗室裡即做了理論和實驗上的充分論證,相關成果還曾被Science雜誌報道。我們的實測結果顯示,在量子鬼成像雷達體制下,我們可以利用千分之一的輻射劑量即可完成同樣質量的目標影象獲取。換句話說,安裝使用鐳射量子鬼成像雷達可以顯著降低無人車流所產生的高密度點雲對行人、司機和路邊音影片採集裝置的不良影響,真正做到安全。”

而對於鐳射量子鬼成像雷達而言,由於其基於光場的時空相關性探測方式的特殊性,所以理論上同一時刻除自身發射的照射光之外不存在其他具備關聯性的訊號。因此,鐳射量子鬼成像雷達同樣能夠應對伴隨著無人車流出現的鐳射雷達互串擾難題。

4. 全天候探測

據王霄鵬介紹,在實際應用過程中,市場上鐳射雷達產品的效能會受到所處工作環境的顯著影響。在天氣晴好的條件下都能比較正常地發揮出自身的效能,但在較惡劣的情況下,如颱風、暴雨、霧霾、大雪或者沙塵等,已有的鐳射雷達產品測量距離顯著降低、出現難以識別的眾多假目標,在一些極端情況下還會出現完全致盲的情況,導致無人車感知系統性能驟降,甚至完全失效,車輛應急停車。

固態鐳射量子鬼成像雷達的全天候探測能力

對於很多營運車輛或者私家車來說,在惡劣天氣條件下可能並不需要冒險出行,但對於物流、應急、救災和國防等特殊應用場景而言全天候工作效能則是一個基本要求。億維瑞光的固態鐳射量子鬼成像雷達可以充分發揮量子成像高維探測的特點,對惡劣天氣條件下出現的光場衰減、散射和湍流即便都具備較好的抵抗性。“這一特點我們團隊的核心成員也曾在國家十二五的研發框架下進行過真實環境下短、中、近三種尺度上外場測試,效果明顯。”王霄鵬談到。

5. 億維瑞光的商業化路徑:聚焦物流

在市場策略上,王霄鵬注重實際:“雖然我們基於的是量子技術,但在考慮市場的時候我們其實聚焦的領域是物流。這裡所說的物流包括幹線貨運、轉運配送車以及無人倉儲等。這些細分領域的共同特點是市場規模大、集中度高並且容易大規模推廣和普及。同時,物流這個市場的要求也很簡單粗暴,便宜、可靠、量產並且要全天候。”

“其實對於無人車這項技術我本身十分看好,深信它一定是未來十年甚至二十年能夠改變人類社會形態的關鍵技術之一,”王霄鵬繼續解釋:“對於今天的中國而言,特別是經歷過新冠肺炎疫情、鄭州暴雨等各種自然災害之後,中國的物流網路所展現出來的物資高效儲存、轉運、集中和配送已經標誌著這個行業成為國計民生的重要支撐。構建一張高效的、可靠的、穩健魯棒、全天時、全天候的無人物流網是具有重大戰略意義的。因此,在這樣一個大背景下,具備全天候探測能力的固態鐳射量子鬼成像雷達同無人物流的深度結合是必然。”

據《末端無人配送賽道研究報告》,目前,末端無人配送最主要的場景是快遞和即時配送,後者包括外賣、生鮮、商超、零售等,無論是哪個場景,都蘊含著巨大的市場價值。報告認為,2021年我國末端配送市場規模將超3000億元,無人配送商業模型已經初步形成,技術已經能夠支撐部分場景需求,行業進入批量商業應用前夜。報告預判,全球首個超千臺規模的無人車隊將於今年率先誕生在無人配送賽道。未來3年,無人配送整車成本會逐步下降至10萬元以內,無人配送賽道將率先迎來爆發。這就給了億維瑞光的“固態鐳射量子鬼成像雷達” 產品極佳的切入路徑,“我們希望市場佔有率超過10%,” 王霄鵬說:“但在商業邏輯上,我們也不排除跟合作伙伴 一起 ,進入具有優勢的其他領域。”

在商業化落地方面,億維瑞光計劃於2022年底面向國內外主要無人物流和配送企業推出其第一代中短距固態鐳射量子鬼成像雷達。在優先滿足成本、可靠性和量產能力的基礎上逐步向市場提供具備全天候探測能力和光端神經網路運算能力的升級產品。同時,伴隨著L3級自動駕駛的全面鋪開和L4級Robotaxi的商用化,億維瑞光計劃在2024年前後將產品範圍進一步擴大至乘用車市場。

6. 關於億維瑞光

億維瑞光的核心技術啟發自王霄鵬博士在澳大利亞悉尼大學留學期間與中科院光機所的量子雷達國際第一梯隊——韓申生團隊的合作研究。國內鐳射雷達賽道的頭部玩家眾多,如上海的禾賽、深圳的速騰、北京的北科天繪,去年華為、大疆也宣佈入場,但固態鐳射量子鬼成像雷達技術路線目前只有億維瑞光一家。

億維瑞光的市場與銷售團隊均出自國際一線鐳射雷達公司,從業多年,熟悉OEM和Tier1等客戶群體。同時,億維瑞光還吸納了具備豐富工程經驗的產品開發團隊,有多位博士和海歸高階人才,平均從業經驗超過五年時間,具備可實施化專案開發經驗。

據悉,億維瑞光近期已正式啟動天使輪融資,資金計劃用於樣機生產、武漢光谷和上海研發基地的技術投入、全國市場和客戶開發等,快速推進量產和行業應用場景的落地。億維瑞光的願景是成為加速大規模量子成像技術產業化和應用場景落地的前沿科技企業,徹底解決行業長期存在的上述痛點,給鐳射雷達產業帶來技術升級。

據全球知名經濟諮詢機構IHS環球透視汽車部門預測,2025年自動駕駛汽車出貨量預計達5400萬輛,屆時,鐳射雷達裝車量預計達1500萬輛,約合1000億人民幣。億維瑞光希望在這期間快速覆蓋市場,成為鐳射雷達行業固態量產產品的先行者。