激光雷達(dá)憑借其探測距離遠(yuǎn)、精確度高的特點(diǎn)成為自動(dòng)駕駛環(huán)境感知系統(tǒng)是最不可或缺的一種傳感器，但又因?yàn)槠洵h(huán)境適應(yīng)能力差等缺點(diǎn)注定了不能是唯一的一種。

環(huán)境感知傳感器種類

環(huán)境感知相關(guān)的傳感器不止激光雷達(dá)一種，上圖展示了相關(guān)類型，其中應(yīng)用到自動(dòng)駕駛汽車中的傳感器主要有激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)以及攝像頭等。

下面從探測距離、可靠度、行人判別、夜間模式、惡劣天氣、細(xì)節(jié)分辨等維度對激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭三種傳感器的性能進(jìn)行對比如下圖。

通過上圖可以直觀看出，激光雷達(dá)是三種環(huán)境感知傳感器中綜合性能最好的一種，這也就決定了它是自動(dòng)駕駛汽車等機(jī)器人環(huán)境感知系統(tǒng)中不可或缺的一部分。

但是由于激光雷達(dá)在天氣適應(yīng)性和細(xì)節(jié)分辨上有明顯短板，因此絕不會(huì)是環(huán)境感知系統(tǒng)中唯一的傳感器。

根據(jù)維度分類，激光雷達(dá)分為一維激光雷達(dá)、二維激光雷達(dá)、三維激光掃描儀和三維激光雷達(dá)。其中自動(dòng)駕駛車輛中應(yīng)用的就是三維激光雷達(dá)。

不同維度激光雷達(dá)功能及應(yīng)用場景

在自動(dòng)駕駛車輛中應(yīng)用的三維激光雷達(dá)，目前以自動(dòng)駕駛系統(tǒng)訓(xùn)練為主要應(yīng)用，測試市場為主的情況下，對產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化成都要求不高，耐用性和可靠性要求也不高，價(jià)格敏感度低，目前全球市場主要被VELODYNE主導(dǎo)。

技術(shù)分析

激光雷達(dá)模塊的關(guān)鍵技術(shù)如下表：

激光雷達(dá)分為固態(tài)激光雷達(dá)和機(jī)械式激光雷達(dá)兩類。它們的區(qū)分主要看激光發(fā)射器是固定的還是運(yùn)動(dòng)式的。

機(jī)械式激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)為掃描速度快、 接收視場小、可承受高的激光功率等。缺點(diǎn)為結(jié)構(gòu)笨重；由于內(nèi)部光路結(jié)構(gòu)，反射信號(hào)接收比低；裝調(diào)工作量大。

以Velodyne全家桶為例，發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)存在宏觀意義上的轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是通過不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將速度更快、發(fā)射更準(zhǔn)的激光從“線”變成“面”，并在豎直方向上排布多束激光形成多個(gè)面，達(dá)到動(dòng)態(tài)3D掃描并動(dòng)態(tài)接收信息的目的。但由于其復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，平均的失效時(shí)間僅1000-3000小時(shí)，難以達(dá)到整車廠們的最低要求的13000小時(shí)。

Velodyne機(jī)械式激光雷達(dá)

機(jī)械式激光雷達(dá)構(gòu)成組件

固態(tài)激光雷達(dá)的發(fā)射源和接收器都是固定在一個(gè)裝置內(nèi)不動(dòng)的，它會(huì)通過一系列的方法把激光導(dǎo)向空間的各個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)對周圍空間的掃描，一般分為MEMS（ Micro-Electro-MechanicalSystem）、光學(xué)相控陣激光雷達(dá)（OPA，Optical Phased Array）和泛光面陣式激光雷達(dá)（Flash）。

MEMS（ Micro-Electro-MechanicalSystem），微機(jī)電系統(tǒng)，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。優(yōu)點(diǎn)為體積小，宏觀結(jié)構(gòu)簡單，耐用、可靠性強(qiáng)，功耗低；缺點(diǎn)為半導(dǎo)體工藝難度太大，材料可選范圍小。

常見的MEMS產(chǎn)品包括MEMS加速度計(jì)、微馬達(dá)、微泵、微振子、MEMS光學(xué)傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀等以及它們的集成產(chǎn)品。

相控陣（OPA）發(fā)射器由若干發(fā)射接收單元組成陣列，通過改變加載在不同單元的電壓，進(jìn)而改變不同單元發(fā)射光波特性，實(shí)現(xiàn)對每個(gè)單元光波的獨(dú)立控制，通過調(diào)節(jié)從每個(gè)相控單元輻射出的光波之間的相位關(guān)系，在設(shè)定方向上產(chǎn)生互相加強(qiáng)的干涉從而實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度光束，而其它方向上從各個(gè)單元射出的光波彼此相消。組成相控陣的各相控單元在程序的控制下，可使一束或多束高強(qiáng)度光束的指向按設(shè)計(jì)的程序?qū)崿F(xiàn)隨機(jī)空域掃描。

固態(tài)OPA激光雷達(dá)Quanergy S3

優(yōu)點(diǎn)有：①掃描速度快：一般都可以達(dá)到MHz量級以上；②掃描精度或指向精度高：千分之一度量級以上；③可控性好：除對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行高密度的掃描外，在其它區(qū)域也能進(jìn)行稀疏掃描。

缺點(diǎn)有：①制造工藝難度較大：陣列單元尺寸必須不大于半個(gè)波長，一般目前激光雷達(dá)的工作波長均在1微米左右，陣列單元的尺寸必須不大于500納米；②材料的研究和選擇也是非常關(guān)鍵的因素：到目前為止，鈮酸鋰晶體、PLZT壓電陶瓷、液晶和AlGaAs基波導(dǎo)光學(xué)相控已得到開發(fā)。

泛光面陣式（Flash）是目前全固態(tài)激光雷達(dá)中最主流的技術(shù)。成像系統(tǒng)向外發(fā)射光源，發(fā)射出的光源在到達(dá)物體表面后，一部分反射回圖像上的像素點(diǎn)。而由于物體表面到返回點(diǎn)的距離不同，其反射光飛行時(shí)間（TOF）不同，通過對光飛行時(shí)間的測量，每個(gè)像素就可獲得獨(dú)立的距離信息，其探測范圍可以達(dá)到百米以上。攝像頭可以實(shí)現(xiàn)百萬像素級別的分辨率快速3D成像。

德國大陸FLASH面陣激光雷達(dá)

優(yōu)點(diǎn)為：①純固態(tài)激光雷達(dá)：沒有任何機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；②成像速度快；③成本低：集成度很高，在批量達(dá)到一定水平后，成本會(huì)很低；④非離散采：改善了感知系統(tǒng)對環(huán)境的空間理解能力。

缺點(diǎn)為：①受限于目前芯片技術(shù)水平，目前還是應(yīng)用在非車輛級別；②掃描距離問題一直是瓶頸，由于是多發(fā)射器同時(shí)發(fā)射脈沖激光，因此模塊功率很難升上去；③安裝后只能向固定方向掃描。

現(xiàn)在業(yè)界OPA和MEMS都是比較成熟的激光雷達(dá)解決方案，目前它們的角分辨率最好的目前已經(jīng)可以做到0.01°。

本文整理了全球激光雷達(dá)主流廠商如下表：

其中做機(jī)械式的有9家，做MEMS的有10家，做flash面陣的有5家，做OPA的有3家。

從可靠性、量產(chǎn)難度、量產(chǎn)后成本、工藝成熟度、性能等維度對機(jī)械式激光雷達(dá)、MEMS激光雷達(dá)、OPA激光雷達(dá)、Flash激光雷達(dá)進(jìn)行對比如圖。

通過上圖可以看出光相控陣OPA理論性能最為強(qiáng)悍，光相控陣OPA功率受限無法滿足距離要求；MEMS性能其次，但量產(chǎn)已經(jīng)具備可能性，MEMS方案一致性和產(chǎn)品壽命始終無法保證；Flash工藝最為成熟，供應(yīng)鏈齊全，F(xiàn)lash系統(tǒng)的輸出能量限制，不可能超越單點(diǎn)測距的系統(tǒng)。

激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)構(gòu)成

激光雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜，涉及的核心元器件眾多：光電探測器、激光器、準(zhǔn)直鏡頭、掃描鏡、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等等。核心元器件目前主要是國外廠商壟斷，國內(nèi)很少有企業(yè)有能力自主量產(chǎn)。

核心元器件廠商

市場概況

近年來，全球汽車的銷售量預(yù)計(jì)將僅增長3%，但預(yù)計(jì)截至2022年，汽車傳感器出貨量的平均增長率將在未來五年達(dá)到8%以上，銷售額增長將超過14%。這主要得益于毫米波雷達(dá)、攝像頭以及激光雷達(dá)高價(jià)值傳感器模塊日益廣泛的應(yīng)用。

2016年，全球汽車MEMS和傳感器市場規(guī)模為110億美元，到2022年預(yù)計(jì)可增長至230億美元。

到2022年毫米波雷達(dá)、攝像頭以及激光雷達(dá)市場預(yù)計(jì)將分別增長至77億美元、62億美元和14億美元。

激光雷達(dá)行業(yè)發(fā)展趨勢

激光雷達(dá)客戶分為測試客戶和整車客戶，二者關(guān)注點(diǎn)不同，測試客戶是目前的主要客戶群體，而整車客戶還需要產(chǎn)品達(dá)到車規(guī)級要求，并且自動(dòng)駕駛民用市場啟動(dòng)后才能釋放需求。

縱觀全球頂級汽車廠，都有既定的第一批LEVEL 3以上功能量產(chǎn)車下線時(shí)間（SOP – Start of Production），從2019-2022不等。

整車廠對成本控制極其嚴(yán)格，幾百美金是他們能接受的價(jià)格上限。

整車廠要求產(chǎn)品滿足苛刻的車規(guī)認(rèn)證，只要一條不滿足，整車廠都不會(huì)承擔(dān)這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)。

由于這些條件的限制，他們往往只能考慮固態(tài)激光雷達(dá)

整車廠對激光雷達(dá)有何看法？

機(jī)械式激光雷達(dá)只在造型上就無法接受。工程車可以不用過多考慮外觀而得到應(yīng)用，但乘用車還是會(huì)優(yōu)先考慮固態(tài)的激光雷達(dá)。

目前機(jī)械式雷達(dá)的平均的失效時(shí)間僅1000-3000小時(shí)，難以達(dá)到整車廠們的最低要求的13000小時(shí)。

相控陣的特性非常突出，但它從概念性產(chǎn)品到工業(yè)級產(chǎn)品，再到可量產(chǎn)化的產(chǎn)品還需要一定的時(shí)間。因此目前的觀點(diǎn)是偏向于MEMS激光雷達(dá)。

未來基于MEMS的激光雷達(dá)，成本可能會(huì)在千元左右，可以很好的緩沖傳統(tǒng)機(jī)械式雷達(dá)的價(jià)格昂貴，以及相控陣純固態(tài)LIDAR短時(shí)不能落地的尷尬。

FLASH也是一種選擇，但是由于其探測距離的先天不足，目前已經(jīng)不是最優(yōu)選擇。

從國外幾家主要LiDAR企業(yè)的產(chǎn)品路線來看，不難看出，大家發(fā)力點(diǎn)都瞄準(zhǔn)在固態(tài)，畢竟小型化、低成本、可靠性高是未來自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的趨勢。

全球激光雷達(dá)主流廠商融資情況整理