自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)技術(shù)轉(zhuǎn)型路

汽車行業(yè)的智能化浪潮正在加速，各種感知設(shè)備在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能中的作用日益顯著。其中激光雷達(dá)通過(guò)高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)感知周邊環(huán)境，極大地提高了自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的可靠性和安全性。作為高級(jí)別自動(dòng)駕駛的重要感知設(shè)備，其高精度、遠(yuǎn)探測(cè)能力和實(shí)時(shí)3D建模特性，使其成為汽車智能化發(fā)展的黃金賽道。隨著技術(shù)路徑的快速迭代，激光雷達(dá)正從機(jī)械式向固態(tài)化、芯片化發(fā)展，為汽車行業(yè)的智能升級(jí)提供重要技術(shù)支撐。尤其是在高級(jí)別自動(dòng)駕駛（L3及以上）中，激光雷達(dá)憑借優(yōu)異的長(zhǎng)尾場(chǎng)景感知能力，已成為多傳感器融合系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。

激光雷達(dá)的技術(shù)組成與原理

激光雷達(dá)作為一種基于激光探測(cè)原理的傳感器，其核心由發(fā)射模塊、接收模塊、掃描模塊和信息處理模塊四部分組成。各模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊環(huán)境的三維建模和高精度探測(cè)。

激光雷達(dá)的四個(gè)模塊

1.1激光發(fā)射模塊

激光發(fā)射模塊是激光雷達(dá)系統(tǒng)的核心組件，其主要任務(wù)是產(chǎn)生激光并將其以一定方式發(fā)射出去。激光器種類繁多，目前車載激光雷達(dá)主要使用半導(dǎo)體激光器，包括邊發(fā)射激光器（EEL）和垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。EEL激光器因其具有較高的發(fā)光功率密度而被廣泛采用，但其生產(chǎn)過(guò)程依賴手工裝配，導(dǎo)致成本較高且一致性難以保證。而VCSEL則通過(guò)半導(dǎo)體加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度生產(chǎn)，具有較低的成本和更高的可靠性。VCSEL激光器的多層結(jié)結(jié)構(gòu)也可顯著提高發(fā)光功率密度，滿足車載應(yīng)用中對(duì)長(zhǎng)距離和高精度探測(cè)的需求，VCSEL激光器逐步成為主流趨勢(shì)。

EEL與VCSEL圖示

激光波長(zhǎng)是影響激光雷達(dá)性能的重要因素。目前主流的波長(zhǎng)有905nm和1550nm兩種。905nm激光波長(zhǎng)適用于成本敏感的場(chǎng)景，且雨雪天氣適應(yīng)性較好；而1550nm波長(zhǎng)因其在人眼安全性、光束準(zhǔn)直性及抗干擾能力方面的優(yōu)勢(shì)，具有更高的探測(cè)性能。在未來(lái)的高端激光雷達(dá)中，隨著1550nm相關(guān)技術(shù)的成本下降，其應(yīng)用比例預(yù)計(jì)將顯著增加。

1.2激光接收模塊

接收模塊通過(guò)光電探測(cè)器捕獲反射激光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，是激光雷達(dá)感知功能的關(guān)鍵部分。當(dāng)前市場(chǎng)上主要使用APD（雪崩光電二極管）作為探測(cè)器，其在靈敏度和增益能力方面能夠滿足目前L2/L3級(jí)別的自動(dòng)駕駛需求。然而，APD在接收多點(diǎn)信號(hào)時(shí)靈敏度較低，難以支持更高復(fù)雜度的場(chǎng)景。SPAD（單光子雪崩二極管）和SiPM（硅光電倍增管）正在成為下一代探測(cè)器的研發(fā)重點(diǎn)。SPAD能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度的大規(guī)模陣列接收，具備更高的抗干擾能力和探測(cè)效率，是車載激光雷達(dá)發(fā)展的重要方向之一。SiPM則以其更低的噪聲和優(yōu)異的信號(hào)增益性能，在低成本應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出極大的潛力。

激光探測(cè)器對(duì)比

接收模塊還包括接收光學(xué)系統(tǒng)，其主要由透鏡、分束器和窄帶濾光片等元件構(gòu)成。這些元件的作用是最大化地收集反射光能量，并將其聚焦到探測(cè)器的光敏面上，從而提高系統(tǒng)整體的信噪比和感知精度。

1.3掃描模塊

掃描模塊決定了激光雷達(dá)的探測(cè)范圍和分辨率，是系統(tǒng)中最重要的組成部分之一。根據(jù)掃描方式是否包含機(jī)械部件，激光雷達(dá)可分為機(jī)械式、混合固態(tài)和純固態(tài)三種類型。

激光發(fā)射系統(tǒng)簡(jiǎn)單構(gòu)成

機(jī)械式激光雷達(dá)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)掃描部件旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)全景式360°探測(cè)，但其體積大、成本高且易受振動(dòng)影響，難以適應(yīng)車載應(yīng)用需求?；旌瞎虘B(tài)激光雷達(dá)利用MEMS振鏡或轉(zhuǎn)鏡替代部分機(jī)械部件，大幅降低了系統(tǒng)的尺寸和重量，同時(shí)保持較高的掃描性能，是當(dāng)前量產(chǎn)車載激光雷達(dá)的主流選擇。而純固態(tài)激光雷達(dá)，如OPA和FLASH技術(shù)，則完全去除了機(jī)械部件，通過(guò)光學(xué)相控陣實(shí)現(xiàn)光束控制，具有更高的集成度和可靠性，被視為未來(lái)的技術(shù)方向。

1.4信息處理模塊

信息處理模塊的主要任務(wù)是對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行分析和處理，生成高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該模塊通常由放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和處理器芯片構(gòu)成。高效算法是信息處理模塊的核心，目前廣泛應(yīng)用的包括點(diǎn)云分割算法、目標(biāo)識(shí)別與跟蹤算法以及即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（SLAM）算法。這些算法通過(guò)對(duì)大規(guī)模點(diǎn)云數(shù)據(jù)的快速處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊環(huán)境的精準(zhǔn)建模，為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供可靠的環(huán)境感知支持。

技術(shù)路徑與發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 TOF與FMCW技術(shù)

飛行時(shí)間法（TOF）是當(dāng)前激光雷達(dá)的主流測(cè)距方式，其通過(guò)測(cè)量激光從發(fā)射到接收的時(shí)間差計(jì)算目標(biāo)距離，具有高精度和遠(yuǎn)探測(cè)能力。然而，TOF在信噪比和抗干擾能力方面的局限性限制了其在復(fù)雜場(chǎng)景中的表現(xiàn)。相比之下，F(xiàn)MCW（調(diào)頻連續(xù)波）技術(shù)通過(guò)測(cè)量激光頻率的變化來(lái)計(jì)算目標(biāo)距離和速度，具有更高的信噪比和更強(qiáng)的抗干擾能力。FMCW激光雷達(dá)能夠直接獲取每個(gè)點(diǎn)的速度信息，為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中的高精度感知提供了重要支持。隨著FMCW技術(shù)的進(jìn)一步成熟，其在高端車載激光雷達(dá)中的應(yīng)用將顯著增加。

2.2固態(tài)激光雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)

固態(tài)化被認(rèn)為是激光雷達(dá)發(fā)展的重要方向，其目標(biāo)是通過(guò)消除機(jī)械部件實(shí)現(xiàn)更高的可靠性和更低的成本。在當(dāng)前激光雷達(dá)技術(shù)路徑中，機(jī)械式和混合固態(tài)激光雷達(dá)仍占據(jù)主流地位，但純固態(tài)技術(shù)正以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐步成為行業(yè)的重點(diǎn)研發(fā)方向。MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）激光雷達(dá)是混合固態(tài)技術(shù)的代表，其采用振鏡替代傳統(tǒng)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，通過(guò)微型反射鏡的高頻振動(dòng)實(shí)現(xiàn)激光的掃描。這種技術(shù)大幅降低了系統(tǒng)的體積和重量，同時(shí)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐用性。盡管MEMS激光雷達(dá)在抗振動(dòng)能力和掃描角度上存在一定限制，但其成熟的工藝和較低的成本使其成為目前量產(chǎn)車型的主要選擇。

MEMS激光雷達(dá)原理圖示

FLASH和OPA（光學(xué)相控陣）激光雷達(dá)則是純固態(tài)技術(shù)的代表。FLASH激光雷達(dá)通過(guò)面光源實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景掃描，無(wú)需機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，具備更高的可靠性。由于面光源的能量分散問(wèn)題，其探測(cè)距離相對(duì)較短，目前主要適用于中短距離場(chǎng)景。OPA激光雷達(dá)則通過(guò)光學(xué)相控陣技術(shù)調(diào)節(jié)光束方向，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描。OPA技術(shù)不僅具有高集成度，還能顯著降低系統(tǒng)功耗，被認(rèn)為是未來(lái)激光雷達(dá)的終極形態(tài)。

2.3芯片化與集成化

芯片化被視為激光雷達(dá)降低成本、提升性能的關(guān)鍵途徑。傳統(tǒng)激光雷達(dá)通常由多個(gè)獨(dú)立的硬件模塊組成，復(fù)雜的裝配工藝導(dǎo)致生產(chǎn)成本居高不下。通過(guò)將激光發(fā)射模塊、接收模塊和處理模塊集成至單一芯片，整機(jī)廠商能夠顯著減少組件數(shù)量，降低裝配難度，同時(shí)提高系統(tǒng)的一致性和可靠性。禾賽科技等國(guó)內(nèi)企業(yè)已在芯片化領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。其多通道發(fā)射芯片和模擬前端芯片的研發(fā)，使得激光雷達(dá)的硬件成本分別降低了70%和80%。芯片化技術(shù)還支持大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)，為激光雷達(dá)的商業(yè)化推廣提供了有力支持。未來(lái)，隨著ASIC（專用集成電路）和SoC（片上系統(tǒng)）方案的普及，激光雷達(dá)的性能和成本結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步優(yōu)化。

激光雷達(dá)的市場(chǎng)潛力與產(chǎn)業(yè)鏈布局

3.1市場(chǎng)潛力分析

隨著高級(jí)別自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，激光雷達(dá)的市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng)。據(jù)預(yù)測(cè)，到2030年，中國(guó)乘用車領(lǐng)域激光雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到980億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)30%。激光雷達(dá)的廣泛應(yīng)用不僅限于自動(dòng)駕駛車輛，還涉及服務(wù)機(jī)器人、智能交通、安防監(jiān)控等多個(gè)領(lǐng)域，展現(xiàn)出強(qiáng)大的市場(chǎng)擴(kuò)展能力。在L2級(jí)輔助駕駛中，激光雷達(dá)主要用于補(bǔ)充攝像頭和毫米波雷達(dá)的感知能力，為系統(tǒng)提供更精準(zhǔn)的距離和三維信息。隨著L3及以上高級(jí)別自動(dòng)駕駛的逐步普及，對(duì)激光雷達(dá)的需求量將大幅增加。特別是在處理復(fù)雜場(chǎng)景和長(zhǎng)尾場(chǎng)景時(shí)，激光雷達(dá)的高精度感知能力不可替代，這將進(jìn)一步推動(dòng)市場(chǎng)的快速擴(kuò)容。

3.2產(chǎn)業(yè)鏈布局

激光雷達(dá)的產(chǎn)業(yè)鏈主要分為上游元器件、中游整機(jī)廠和下游應(yīng)用領(lǐng)域。上游元器件包括激光器、探測(cè)器、掃描鏡、光學(xué)系統(tǒng)等，其技術(shù)水平直接決定了激光雷達(dá)的性能和成本。中游整機(jī)廠負(fù)責(zé)激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)、集成和生產(chǎn)，是產(chǎn)業(yè)鏈中價(jià)值最高的環(huán)節(jié)。下游則涵蓋智能駕駛、機(jī)器人、安防等應(yīng)用領(lǐng)域，為激光雷達(dá)提供了廣闊的市場(chǎng)空間。

激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈一張圖

國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)廠商在產(chǎn)業(yè)鏈中已占據(jù)重要地位。禾賽科技、速騰聚創(chuàng)等企業(yè)通過(guò)自主研發(fā)和成本控制，不斷提升產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在上游元器件領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)企業(yè)也逐步實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，如炬光科技在半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域的技術(shù)積累，以及靈明光子在SPAD探測(cè)器領(lǐng)域的創(chuàng)新，為整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

激光雷達(dá)的應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)

4.1應(yīng)用前景

激光雷達(dá)的高精度感知能力，使其在智能駕駛中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。作為L(zhǎng)3及以上自動(dòng)駕駛的核心傳感器，激光雷達(dá)在長(zhǎng)尾場(chǎng)景的處理能力上具備顯著優(yōu)勢(shì)。在城市復(fù)雜道路、高速公路合流段以及惡劣天氣條件下，激光雷達(dá)能夠提供高精度的三維環(huán)境數(shù)據(jù)，為車輛的決策和規(guī)劃提供可靠支持。激光雷達(dá)還可用于非汽車領(lǐng)域的智能化場(chǎng)景。在工業(yè)自動(dòng)化中，激光雷達(dá)用于設(shè)備定位和導(dǎo)航；在智慧城市中，激光雷達(dá)支持交通流量監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃。這些新興應(yīng)用場(chǎng)景的不斷涌現(xiàn)，將為激光雷達(dá)市場(chǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)展注入強(qiáng)大動(dòng)力。

4.2技術(shù)與商業(yè)化挑戰(zhàn)

盡管激光雷達(dá)展現(xiàn)出巨大的市場(chǎng)潛力，其高成本和技術(shù)復(fù)雜性仍然是商業(yè)化應(yīng)用的主要障礙。激光雷達(dá)的硬件成本主要集中在激光器、探測(cè)器和掃描模塊上，尤其是1550nm波長(zhǎng)激光器和SPAD探測(cè)器，其生產(chǎn)工藝復(fù)雜且成本居高不下。此外，激光雷達(dá)對(duì)惡劣天氣的適應(yīng)性較差，在雨雪條件下探測(cè)性能有所下降，這也限制了其在全場(chǎng)景中的應(yīng)用能力。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，行業(yè)正在積極推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和成本優(yōu)化。通過(guò)研發(fā)高集成度的ASIC和SoC芯片，激光雷達(dá)的硬件成本正在快速下降。同時(shí)，多傳感器融合技術(shù)的應(yīng)用也在逐步彌補(bǔ)激光雷達(dá)在特定場(chǎng)景中的感知局限性，為其商業(yè)化落地創(chuàng)造了更有利的條件。

結(jié)論與展望

激光雷達(dá)作為汽車智能化發(fā)展的重要技術(shù)支撐，其技術(shù)迭代與商業(yè)化進(jìn)程正在加速推進(jìn)。通過(guò)固態(tài)化和芯片化路徑，激光雷達(dá)的成本和性能得以顯著優(yōu)化，為L(zhǎng)3及以上級(jí)別自動(dòng)駕駛的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，隨著FMCW、OPA等新技術(shù)的突破，激光雷達(dá)的技術(shù)瓶頸正逐步被克服，其應(yīng)用場(chǎng)景也在不斷拓展。然而，激光雷達(dá)的全面普及仍需克服技術(shù)、成本和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等多重挑戰(zhàn)。在未來(lái)的發(fā)展中，通過(guò)加速技術(shù)創(chuàng)新、強(qiáng)化上下游合作，激光雷達(dá)將為汽車行業(yè)的智能化升級(jí)和社會(huì)的智慧化建設(shè)注入強(qiáng)勁動(dòng)力。

審核編輯 黃宇