了解汽車傳感器——激光雷達

來源： 道合順傳感

編輯：感知芯視界

激光雷達概覽

（1）發(fā)展歷程

激光雷達LiDAR（Light Detection And Ranging）是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱，主要構成要素包括發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。激光雷達系統(tǒng)的核心組件主要有激光發(fā)射器、掃描器及光學組件、光電探測器及接收IC，以及位置和導航器件等，可提供高分辨率的幾何圖像、距離圖像、速度圖像。

（2）工作原理

激光雷達的物理原理本質上就是“距離=速度*時間”，通過測量激光信號的信號差和相位差來確定距離。相較于發(fā)射電磁波的毫米波雷達和發(fā)射機械波的超聲波雷達，激光雷達主動發(fā)射波長約為900-1,500nm的激光射線，利用多普勒成像技術，創(chuàng)建出目標清晰的3D圖像，是其它傳感器無法比擬的感知能力。

激光雷達通過發(fā)射和接收激光束，分析激光遇到目標對象后的折返時間，計算出到目標對象的相對距離，并利用此過程中收集到的目標對象表面大量密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，快速得到出被測目標的三維模型以及線、面、體等各種相關數(shù)據(jù)，建立三維點云圖，繪制出環(huán)境地圖，以達到環(huán)境感知的目的。由于光速非常快，飛行時間可能非常短，因此要求測量設備具備非常高的精度。從效果上來講，激光雷達線數(shù)越多，測量精度越高，安全性就越高。

激光雷達工作原理

相比于可見光、紅外線等傳統(tǒng)被動成像技術，激光雷達技術具有如下顯著特點：一方面，它顛覆傳統(tǒng)的二維投影成像模式，可采集目標表面深度信息，得到目標相對完整的空間信息，經數(shù)據(jù)處理重構目標三維表面，獲得更能反映目標幾何外形的三維圖形，同時還能獲取目標表面反射特性、運動速度等豐富的特征信息，為目標探測、識別、跟蹤等數(shù)據(jù)處理提供充分的信息支持、降低算法難度；另一方面，主動激光技術的應用，使得其具有測量分辨率高，抗干擾能力強、抗隱身能力強、穿透能力強和全天候工作的特點。

激光雷達主要性能參數(shù)

激光雷達核心構成包括激光發(fā)射系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)（光束操縱元件）、傳輸與接收光學系統(tǒng)、光電探測器及信號處理系統(tǒng)。其中掃描系統(tǒng)、激光發(fā)射器和光電探測器均存在不同技術路線，進而導致激光雷達整機技術路線繁多。目前，激光雷達四大系統(tǒng)包括激光器、光束控制器、FPGA芯片在內的核心元件基本被國外大廠壟斷。

激光雷達分類方式多樣，根據(jù)測距原理、掃描方式、激光發(fā)射、激光接收等環(huán)節(jié)所采取的方案不同，均可對激光雷達進行分類。其中又以測距原理和掃描方式的分類最為常見。按掃描方式正成為車載激光雷達廠商分類定位的主要依據(jù)。究其原因，在于掃描技術直接決定了激光雷達的掃描頻率、掃描范圍、采集數(shù)據(jù)量等關鍵技術參數(shù)，與最終探測成像質量息息相關。此外，掃描技術的演變還是產品邁向小型化、高性能、低成本的重要一環(huán)，是車載激光雷達能否實現(xiàn)商業(yè)化量產的關鍵因素之一。根據(jù)內部有無運動器件，激光雷達可分為機械旋轉式、混合固態(tài)式以及純固態(tài)式三大類別。

當前業(yè)界并無終極解決方案?；谔綔y距離、視場角、信噪比、體積、穩(wěn)定性、成本控制、技術成熟度等多維度，對于不同測距原理、掃描方式下方案的整理如下表所示，可見不同方案均有各自優(yōu)劣，主機廠在當前階段需在不同考量維度中進行取舍。

激光雷達主流分類方式及優(yōu)劣性

產業(yè)鏈

激光雷達產業(yè)鏈上游為激光器、光源、光學部件、振鏡、模擬芯片、FPGA芯片等；產業(yè)鏈中游為激光雷達硬件廠商；下游產業(yè)鏈按照應用領域主要分為自動駕駛、高級輔助駕駛、服務機器人和車聯(lián)網行業(yè)。

整體而言，激光雷達全產業(yè)鏈表現(xiàn)出發(fā)展速度快、科技水平高、創(chuàng)新能力強、市場前景廣闊的突出特點。從國外產業(yè)鏈與國內產業(yè)鏈比較的角度而言，國外激光雷達上游企業(yè)由于起步更早，積累更為深厚，尤其在底層光電器件以及芯片領域擁有一定先發(fā)優(yōu)勢。國外和本土激光雷達下游企業(yè)在產品性能和商業(yè)化進度方面不相上下，國內上游供應商也在近幾年發(fā)展迅速，有望實現(xiàn)與海外上游企業(yè)逐步持平。

（1）上游供應商

激光雷達行業(yè)的上游產業(yè)鏈主要包括激光發(fā)射器、光電探測器、FPGA芯片、模擬芯片供應商，以及光學部件生產和加工商。

激光雷達上游供應商

①激光發(fā)射器

激光發(fā)射器和光電探測器是激光雷達的重要部件，激光發(fā)射器和探測器的性能、成本、可靠性與激光雷達產品的性能、成本、可靠性密切相關。而且激光雷達的系統(tǒng)設計會對激光發(fā)射器和探測器的規(guī)格提出客制化的需求，與上游供應商深入合作定制激光發(fā)射器和探測器，有助于提升產品的競爭力。

按照增益介質的不同，激光器可以分為氣體激光器、固態(tài)激光器、光纖激光器、半導體激光器（激光二極管）和液體激光器五大類。EEL與VCSEL均屬于半導體激光器，光纖激光器主要用半導體激光器做泵浦源，這三種是目前比較主流的激光器產品。

VCSEL與EEL加工過程對比

EEL具有功率密度高的性能優(yōu)勢，但其發(fā)光面位于半導體晶圓的側面，使用過程中需要進行切割、翻轉、鍍膜、再切割的工藝步驟，極其依賴產線工人的手工裝調技術，生產成本高且一致性難以保障。此外EEL只有切割晶圓后才能完全產生激光，在生產過程中無法進行測試。VCSEL的發(fā)光面與半導體晶圓平行，具有面上發(fā)光的特性，發(fā)射光束窄且圓，所形成的激光器陣列易于與平面化的電路芯片鍵合，在精度層面由半導體加工設備保障，且易于和面上工藝的硅材料微型透鏡進行整合，提升光束質量。近年來國內外多家VCSEL激光器公司紛紛開發(fā)了多層結VCSEL激光器，將其發(fā)光功率密度提升了5-10 倍，這為應用VCSEL開發(fā)長距激光雷達提供了可能。

行業(yè)內主要的激光發(fā)射器制造企業(yè)包括國外的OSRAM（歐司朗）、AMS（艾邁斯半導體）、Lumentum（魯門特姆）等；國內的深圳瑞波光電子有限公司、常州縱慧芯光半導體科技有限公司等。

國外供應商在激光發(fā)射器和探測器行業(yè)耕耘較久，產品的成熟度和可靠性上有更多的實踐經驗和優(yōu)勢，客戶群體也更為廣泛。國內供應商近些年發(fā)展迅速，產品性能已經基本接近國外供應鏈水平，并已經有通過車規(guī)認證（AEC-Q102）的國產激光發(fā)射器和探測器出現(xiàn)，元器件的車規(guī)化是車規(guī)級激光雷達實現(xiàn)的基礎，國內供應商能夠滿足這一需求。相比國外供應商，國內供應商在產品的定制化上有較大的靈活性，價格也有一定優(yōu)勢。

②光電探測器

PD（光電二極管）成本低，是激光雷達探測器的常用選擇，缺點是靈敏度低，僅適合短距離探測，對于遠距離探測需要使用高增益的APD （雪崩二極管）。APD又分為線性工作模式和蓋格工作模式，蓋格工作模式增益最高，只輸出1或0的電平信號，靈敏度很高，稱為SPAD（單光子雪崩二極管）。SPAD可以單點獨立運行，也可以組成陣列（為表區(qū)分，本報告以SPPC代指SPAD陣列），SPPC中的各個SPAD獨立工作。

SiPM（Silicon Photomultiplier，另稱MPPC）是另一種形式的SPAD陣列，由多個獨立的SPAD傳感器并聯(lián)組成，輸出的信號會有幅度級別的區(qū)分。安森美資料顯示，目前激光雷達市場上，PD和APD的使用率存在不同程度的下降，而SPAD、SPPC和SiPM的使用率在持續(xù)提升。盡管SPAD的靈敏度與轉換效率更高，但它受制于高成本和低量產一致性，因此目前APD仍為主流。

③激光雷達芯片

I.FPGA芯片

FPGA芯片通常被用作激光雷達的主控芯片，國外主流的供應商有賽靈思、英特爾等。國內主要的供應商有紫光國芯股份有限公司、西安智多晶微電子有限公司等。國外供應商的產品性能相比國內供應商大幅領先，但國內產品的邏輯資源規(guī)模和高速接口性能，也能夠滿足激光雷達的需求。

不過FPGA不是激光雷達主控芯片的唯一選擇，也可以選用高性能單片機（MCU）、數(shù)字信號處理單元（Digital Signal Processor，DSP）代替。MCU的國際主流供應商有瑞薩電子、英飛凌等，DSP的主流供應商有TI（德州儀器）、ADI（亞德諾半導體）等。

II.模擬芯片

模擬芯片用于搭建激光雷達系統(tǒng)中發(fā)光控制、光電信號轉換，以及電信號實時處理等關鍵子系統(tǒng)。國際范圍內模擬芯片供應商主要有TI（德州儀器），ADI（亞德諾半導體）等。國內模擬芯片的供應商主要包括矽力杰半導體技術有限公司、圣邦微電子（北京）股份有限公司等。國外供應商在該領域積累已久，技術先進、產能充足、成熟度高，是行業(yè)的領導者。國內供應商相比國外起步較晚，從產品豐富程度到技術水平還普遍存在著一定差距，尤其車規(guī)類產品差距會更大。

半導體產業(yè)鏈

④光學部件

光學部件方面，激光雷達公司一般為自主研發(fā)設計，然后選擇行業(yè)內的加工公司完成生產和加工工序。光學部件國內供應鏈的技術水平已經完全達到或超越國外供應鏈的水準，且有明顯的成本優(yōu)勢，已經可以完全替代國外供應鏈和滿足產品加工的需求。

芯片商業(yè)應用進展

（1）車載領域

主機廠基于安全第一、產品量產等理念，技術路線較為保守，大多通過ADAS功能的拓展和完善，漸進式地實現(xiàn)智能駕駛。ADAS主要指乘用車通過搭載激光雷達實現(xiàn)高級輔助駕駛功能，如自適應巡航、自動跟車等。與智能駕駛的激光雷達相比，ADAS所應用的激光雷達對車規(guī)化的批量生產能力、可靠性有更高的要求，對成本也更敏感。

科技企業(yè)（Waymo、Momenta等）商業(yè)模式以售賣智能駕駛解決方案為主，且由于科技創(chuàng)新企業(yè)人才儲備完善、算法實力強，技術路線相對激進，直接著手于L4/L5的智能駕駛技術研發(fā)。而激光雷達是實現(xiàn)L4/L5級別智能駕駛技術的核心傳感器，國內外眾多智能駕駛科技公司均采用激光雷達輸出的點云數(shù)據(jù)作為主要決策依據(jù)。360°機械旋轉式激光雷達作為主傳感器，一般被放在Robotaxi或Robotruck的車頂，且一臺車上通常會配置多臺激光雷達，或覆蓋車身兩側或長距短距兼顧，用以滿足復雜道路場景的探測需求。以嬴徹科技為例，其與東風商用車聯(lián)合開發(fā)的L3級Robotruck單車搭載3顆激光雷達，其中主雷達使用一顆RoboSense的MEMS激光雷達，兩顆角雷達則使用一徑科技的MEMS產品。

①主機廠量產車型

目前主機廠與激光雷達廠商均著力于推動激光雷達上車量產，2021年以來激光雷達前裝量產加速，上海車展、廣州車展期間就有多款車型宣布搭載激光雷達，激光雷達的關鍵性和必要性得到進一步確認。激光雷達量產車型小鵬P5、北汽極狐阿爾法S、魏派WEY摩卡接連推出，國內OEM廠商激光雷達率先上車。2021年4月14日，搭載大疆Livox激光雷達的車型小鵬P5發(fā)布；2021年4月18日，搭載華為激光雷達的北汽極狐阿爾法S發(fā)布。大部分預計搭載激光雷達的車企預計將在2021-2022年量產。

目前車規(guī)級激光雷達產品整體方案設計的發(fā)展總體方向為低成本、高性能、高集成度、固態(tài)化。各廠商根據(jù)自身技術儲備選擇了不同的技術方案以求達到OEM廠商的需求。激光雷達廠商通過對激光雷達發(fā)射系統(tǒng)，接收系統(tǒng)，信息處理系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)的設計組合形成特色方案。

由下表可見，國內外主機廠、造車新勢力們在2022年均有激光雷達上車計劃，既有新出車型也有原有車型改款，單車搭載數(shù)量在1-5顆之間，其中以1顆（主雷達）和3顆（1主雷達+2角雷達）為主流方案。硬件合作方有11家之多，由此可見頭部雷達廠商并無明顯競爭力，市場仍處于相對初期的開放競爭市場份額階段。

除激光雷達上車計劃外，國內外主機廠近年來也紛紛布局入股激光雷達廠商，據(jù)不完全統(tǒng)計，主機廠投資事件整理如下：

主機廠投資激光雷達案例

②跨越式陣營

跨越式陣營以自動駕駛創(chuàng)業(yè)科技公司為主，由于發(fā)展初期覆蓋場景不同，區(qū)別于傳統(tǒng)主機廠和新勢力由ADAS逐漸過渡至完全自動駕駛的漸進式發(fā)展路線。該陣營普遍采用“一步到位”策略，直接開發(fā)激光雷達作為核心傳感器的L4智能駕駛技術。應用場景則相對保守，以廠區(qū)、港口、礦區(qū)、機場、高速干線等封閉或半封閉場景為主。

不同于乘用車主機廠選用激光雷達對是否通過車規(guī)級認證有嚴格要求，自動駕駛方案商更注重產品性能以及性價比。此外，考慮到響應速度以及客戶定制化開發(fā)需求，國內自動駕駛公司更加偏好使用本土激光雷達硬件供應商的產品。

（2）智慧交通

除了智能駕駛領域，激光雷達的應用領域也在不斷拓展，包括以汽車主機廠、Tier 1為代表的前裝高級輔助駕駛，以智能服務機器人為代表的避障導航系統(tǒng)，還有隨著5G技術逐漸普及而產生的智能交通車路協(xié)同應用，都為激光雷達帶來了更廣闊的市場。

路端激光雷達有兩個主要作用，一是實現(xiàn)高精地圖的采集，二是對路面交通進行實時監(jiān)控。路端交通領域主要由政府相關部門主導，對車規(guī)級的集成要求較低，但對算法要求很高，激光雷達作為路端感知器，需要對道路使用者進行監(jiān)測感知，目前以機械旋轉式激光雷達為主要應用產品。應用場景主要是高速公路和十字路口。

①智慧高速市場

我國目前存量高速公路里程達16.1萬公里，假設每年新建成高速公路里程0.75萬公里不變，按照單臺激光雷達設備覆蓋200米計算，高速場景每公里需要4個激光雷達，預計在2025年滲透率能達到10%，未來5年市場規(guī)模合計約37億元。

②城市路口

我國目前城市路口約30萬個，假設按對角交叉布置，每個路口需布置2個激光雷達，在2025年市場滲透率達到10%的情況下，未來5年市場空間合計約23億元。

*免責聲明：本文版權歸原作者所有，本文所用圖片、文字如涉及作品版權，請第一時間聯(lián)系我們刪除。本平臺旨在提供行業(yè)資訊，僅代表作者觀點，不代表感知芯視界立場。

今日內容就到這里啦，如果有任何問題，或者想要獲取更多行業(yè)干貨研報，可以私信我或者留言

審核編輯 黃宇