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觀點 · Essay

從車頂的黑色圓罩到點雲裡的幻影亮點:光達互擾問題的設計語言

從車頂光達的黑色光學罩到點雲畫面裡的幻影亮點,拆解自動駕駛光達相互幹擾疑慮背後的波長配色、形態收縮與光的協定設計。

設計觀察 ·
從車頂的黑色圓罩到點雲裡的幻影亮點:光達互擾問題的設計語言

車頂那顆不發光的黑罩子

入夜後的十字路口,一輛貼著測試標語的車滑進待轉區。車頂正中央有一顆倒扣的黑色玻璃缽,直徑約十公分,正以每秒十幾圈的速度安靜旋轉。肉眼看上去它什麼也沒做,罩面只反射一點路燈。但在隨車工程師的螢幕上,這顆罩子正朝四面八方潑出每秒上百萬個紅外光點,把整條街描成一張灰階的點雲圖,路緣、標線、行人的肩膀,都成了疏密不一的點。

這顆黑色圓罩叫光達,英文 LiDAR,簡體中文世界多寫作激光雷達。它測距的方式很直接:發出一束雷射,等它彈回來,用往返時間換算距離。旋轉一圈,數十束雷射掃過周圍,便拼出一幅以距離遠近決定明暗的地圖。

這個互擾問題並不是本週的新聞。它在知乎上被提出已經是好幾年前的事,當時多數回答的結論是:車太少,不必擔心。這幾年狀況變了,搭載光達的車款從旗艦一路下放到中價位,問題於是被重新翻了出來:等到某一天,路口八成的車都在旋轉、都在發射,幾十套看不見的光網在同一段路面上交錯,它們會不會把彼此的圖描壞?

點雲裡多出來的幻影

要理解幹擾,先看接收端。光達的接收器並不認人,它只記錄收到一個光脈衝,然後老老實實用往返時間算出一個距離。如果這個脈衝來自隔壁車道的另一顆光達,演算法沒有理由起疑,於是點雲上憑空多出一個亮點,懸在半空,對應不到任何實物。業界把這類雜點叫幻影點,也有人稱鬼影。單看一幀無傷大雅,若連續幾幀都待在同一個位置,系統就可能判斷那裡有一堵牆,一堵由別人的光做成的牆。

物理上,這種互相照射很難完全避開。雷射離開發射孔之後並非理想的直線,光束會緩慢張開,走出百來公尺,光斑已經從針尖大張成硬幣大。兩輛車對向交會,彼此的光束剛好掃過對方的接收窗口,在擁擠的市區是常態。再加上玻璃帷幕、積水路面、前車引擎蓋的多重反射,車輛密度一高,街道就成了一塊所有人共用的開放介質。

這個處境,做無線電的人非常熟悉。一百年前,廣播電臺互相蓋臺,最後長出來的解法是頻率分配與發射執照。光達現在面對的是同一道題目,只是介質從電波換成了光,而光這個頻段,還沒有人發執照。

形態的扁平化:從展示存在到藏進保險桿

回頭看光達自己的造型史,會發現它正朝越來越看不見的方向收縮。最早的機械式光達是一顆完整的旋轉圓頂,Velodyne 的六十四線產品是那個時代的圖騰,早期自駕測試車頂著它,像戴了一頂儀器頭盔,遠遠就能認出來。這種外顯有它的功能:讓路人與監理單位一眼知道這輛車在做什麼。

第二代是半固態,用微機電振鏡或旋轉多面鏡取代整顆旋轉的機構,體積縮成扁平的方盒,高度從十幾公分降到兩三公分。第三代的全固態,包括閃光式與光學相控陣,乾脆沒有活動件,薄得能嵌進保險桿、頭燈內側,或藏在水箱護罩的飾條後面。感測器從車頂的地標,變成車身表面的一道縫。

圖卡列出光達形態演進的五個階段:機械旋轉圓頂、微機電振鏡、旋轉多面鏡、閃光式全固態與光學相控陣
從車頂地標到車身縫隙的收縮路徑

材質的講究也跟著縮進那一層薄罩裡。罩體必須讓工作波長的紅外光低損耗通過,鍍膜要壓低可見光的反射,黑色是為了遮住內部機構並減少環境光雜訊,外表面還得耐石擊、耐污水沖刷。一顆現代光達的光學罩,可以說是汽車上最講究的一片看不見的玻璃。這個收縮過程對互擾有雙面意義:發射孔越貼近路面,光束越容易直接打進對向車的接收器;同時硬體成本下降,讓每輛車的發射點從一顆變成三五顆。

波長就是這套系統的配色

面對互擾,工程上第一層手段是波長。目前車用光達的主流波段有兩支:905 奈米與 1550 奈米。905 在可見光紅端之外不遠處,用矽做接收器,成熟又便宜,缺點是人眼安全規範對它的功率卡得很緊,因為這個波長的光能一路穿透到視網膜。1550 借的是光纖通訊的波段,角膜裡的水分會先把它吸收掉,到不了視網膜,於是法規允許更高的發射功率,測距更遠,對深色衣物與輪胎這類低反射目標的回波也更乾淨,代價是接收器材料昂貴。

在設計的語言裡,波長等於這套系統的底色。選定波段,光學罩的鍍膜、濾波片的通帶、接收器的半導體材料就全部跟著定了。從互擾管理的角度看,波長是最粗的一道隔間:不同波段的兩顆光達,彼此的光在濾波片那關就被擋下,等於整條街的光被分成兩個不重疊的色系。問題在於,多數車仍擠在同一個色系裡,於是需要更細的規則。

圖卡呈現車用光達兩大主流波長 905 奈米與 1550 奈米的對照,標示前者受限於人眼安全功率上限、後者借用光纖通訊波段

把署名寫進每一束光

更細的規則,是把身分寫進光的節奏裡。常見的做法是脈衝編碼:每顆光達發射的脈衝序列帶著自己的偽隨機簽名,接收端只承認符合自己節拍的回波,別人發來的脈衝時序對不上,直接丟棄。另一條路線是調頻連續波,簡稱 FMCW:光束以連續變化的頻率掃出,回波與本地參考光混頻,只有頻率軌跡完全吻合的訊號會被保留,旁人的光混進來,斜率對不上,在混頻那一步就被濾掉,順帶還能量出目標的都卜勒速度。

時序也在排程之內。發射節拍加入隨機抖動,兩顆光達就不會以固定相位互相對撞。最後還有一道後端防線:點雲過濾演算法會把上一幀存在、這一幀消失,或者運動方式違反物理的雜點剔除,就像排版系統會把對不齊行的字元挑出來。

這整套邏輯,其實是 Wi-Fi 與藍牙已經走過的路。2.4GHz 是出了名的擁擠頻段,微波爐、無線滑鼠與數十臺裝置共用,靠的是跳頻、載波偵聽與重傳機制。街道上的光達正在長出自己的那一套禮儀:光的署名方式與讓路時機,都必須事先排好。這是協定設計,也是光學世界裡的排版規則。

圖卡列出光達抵抗相互幹擾的五道設計防線:波長區隔、光學濾波、脈衝編碼、調頻連續波與點雲過濾

當半條街都在發射

品牌策略讓這道題的答案更分歧。特斯拉走純視覺路線,把光達從採購清單上整行刪掉;另一派的車廠把光達當作攝影機與毫米波雷達之外的第三意見,一種看不見的冗餘。這場分歧本身就是一次設計辯論:安全感要不要建立在人眼看不見的硬體上,車頭那道縫裡的裝置該由誰來信任。

而無論哪一派勝出,滲透率都會繼續爬。等到光達成為標配,互擾就會從實驗室裡的邊角案例,變成街道上的日常狀態,標準化也會被放上檯面:波段的分配、編碼的規則、功率的上限,以及雷射安全等級的認定。某種意義上,這是在替城市設計第二層交通規則,紅綠燈管理看得見的車流,光達的協定管理看不見的光流。這與我們先前觀察過的年輕世代逐漸放棄考照的移動習慣轉變,站在同一條曲線上:當車輛自己看得見路,人與機器的分工就會重新洗牌。

收在安靜的旋轉裡

回到路口那顆黑色圓罩。它的安靜是被設計出來的:波長選在人眼看不見的位置,功率壓在人眼安全的上限之下,旋轉的機構封在消光的面罩裡。未來它與鄰車的相安無事,同樣會是被設計出來的,藏在每一束光的簽名與節拍裡。

互擾這個問題,表面上是光學與電子學,骨子裡是介面設計的老題目:許多裝置共用同一個開放空間時,秩序靠的是事先寫好的退讓規則。今天一棟辦公大樓裡疊著上百個 Wi-Fi 熱點,大多數時候相安無事,因為規則早已寫進每一臺裝置的韌體。街道上的雷射層,總有一天也會長成這樣:滿街都是看不見的光,彼此擦身而過,然後各自描出一張乾淨的圖。