汽车百科-激光雷达
汽车百科-激光雷达
一、基本概念1.定义
激光雷达(LightDetectionandRanging，LiDAR)是一种向被测目标发射探测信号(激光束)，然后测量反射或散射信号的到达时间、强弱程度等参数，以确定目标的距离、方位、运动状态及表面光学特性的雷达系统。激光雷达因为激光波长短，准直性高，使得激光雷达性能优异：角分辨率和距离分辨率高、抗干扰能力强、能获得目标多种图像信息(深度、反射率等)、体积小、质量轻。
相比于可见光、红外线等传统被动成像技术，激光雷达技术具有如下显著特点：一方面，它颠覆传统的二维投影成像模式，可采集目标表面深度信息，得到目标相对完整的空间信息，经数据处理重构目标三维表面，获得更能反映目标几何外形的三维图形，同时还能获取目标表面反射特性、运动速度等丰富的特征信息，为目标探测、识别、跟踪等数据处理提供充分的信息支持、降低算法难度；另一方面，主动激光技术的应用，使得其具有测量分辨率高，抗干扰能力强、抗隐身能力强、穿透能力强和全天候工作的特点。
2.工作原理
激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度，这是、也是直接探测型雷达的基本工作原理。
3.系统架构
激光技术与雷达技术相结合便是激光雷达。激光雷达通过发射激光束并探测回波信号，探测目标的位置、速度等特征量。激光雷达技术作为一种在微波雷达技术的基础上发展起来的探测技术，两者在组成和工作原理上都有很多相似点。激光雷达的组成模块如图3所示，主要由发射模块、接收模块、扫描模块和控制模块等子系统组成。激光器发射出的光束，打到地面的树木、道路、桥梁和建筑物等障碍物上，反射的部分光波会被激光雷达的接收器接收，根据激光测距原理计算，得到从激光雷达到目标点的距离，扫描模块不断将激光束偏转至空间不同位置，从而实现对空间目标不同位置的测量获得三维点云信息，继而得以实现对周围环境的精确重建。
(1)发射模块：由半导体激光器、光纤激光器或垂直腔面发射激光器等构成；
(2)接收模块：由光电二极管或雪崩光电二极管、单光子雪崩探测器等构成；
(3)扫描模块：改变激光束的空间投射方向，由电机、微型谐振镜、相控阵等形式实现，Flash方案中不包含扫描模块；
(4)控制模块：完成对激光发射模块、接收模块和扫描模块的控制，以及激光雷达数据的处理和外界系统的数据传输。
4.基本分类
通常按照激光雷达的整体架构，将其分为机械式激光雷达和固态式激光雷运，其判断的依据为是否包含电机结构。由电机带动光机结构整体或者转镜做机械运动的方案为机械式激光雷达，与之对应，没有采用电机结构的微型谐振镜方案、光学相控阵(OPA)方案、Flash方案为固态式激光雷达。目前占据市场主流位置的还是机械式激光雷达，固态式激光雷达还存在着各种各样需要解决的问题，随着工艺的进步和技术的成熟，固态式激光雷达也将大规模走向市场。
(一)机械式激光雷达(1)转镜方案。转镜方案中由电机带动反光装置在一定角度范围内摆动，或者360°转动，反光装置的机械运动将激光束投射到空间不同位置，与此同时完成高速测量。早期的激光雷达较多采用这种方案，如SICK的单线激光雷达。
(2)整体旋转方案。整体旋转方案的激光雷达通常包含一个由多组激光收发组成的光机结构，由电机带动整个光机结构进行360°整体旋转。激光收发对通常在垂直方向按照一定的角度分布进行排布，这决定了激光雷达的线数，以及垂直视场角和垂直角分辨率。DARPA中使用的Velodyne64线激光雷达就是该架构的代表。随着多年的发展，目前的整体旋转方案的高线数激光雷达往往具有更紧凑的结构和更优越的性能。
对于机械式激光雷达，不管是机械转镜还是光机结构整体旋转的方案都相对成熟，系统性能已经得到充分验证，而且机械转动能够带来固态式激光雷达难以实现的大视场。虽然机械式激光雷达在集成度、可靠性和成本方面还有提高的空间，但随着方案的优化和改进、核心控制模块芯片化的发展，机械式激光雷达仍将在一定时间内占据市场的主流。
(二)固态式激光雷达(1)微型谐振镜方案。微型谐振镜可以看成尺寸较小的反射镜，通过自身的摆件将入射光转向空间中不同的方向。相比于电机驱动的转镜，微型谐振镜并不是由电机驱动的，它依据具体驱动方式可以分为静电式微振镜、电磁式微振镜、压电式微振镜和电热式微振镜等。相比于传统的机械振镜，微型谐振镜在体积、质量、功耗和扫描频率上具有明显的优势，因无电机运动从而增加了系统的可靠性。
微型谐振镜技术相对已经比较成熟，能够找到已经市场化的微型谐振镜模块。受益于微型谐振镜原有的技术积累，以及基于微型谐振镜模块的激光雷达系统结构相对容易实现，尽管微型谐振镜模块还需要针对激光雷达应用进行优化和改进，但微型谐振镜方案的激光雷达应该会成为最先落地的固态式激光雷达方案。
(2)OPA方案。光是一种电磁波，存在相干叠加现象，相干光叠加的结果就是波矢量合成。著名的双缝干涉试验就说明了这一物理现象，两条缝相当于两个相干光源，其相干叠加的效果就是明暗相间的条纹。
当相干光源是一个复杂的光源阵列时，即光学相位阵列(简称相控阵)，相控阵发射器由若干发射接收单元组成阵列，通过改变加载在不同单元的电压，进而改变不同单元发射光波特性(如光强、相位)，实现对每个单元光波的独立控制，类似于为微波雷达中早已经大规模使用的相控阵雷达。通常是调节从每个相控单元辐射出的光波之间的相位关系，在设定方向上产生互相加强的干涉从而实现高强度光束，而其他方向上从各个单元射出的光波彼此干涉相消，因此辐射强度接近于零。组成相控阵的各相控单元在程序的控制下，可使一束或多束高强度光束按照程序设定实现空间上的扫描。
相控阵方案目前还没出现突破性的产品或样机，主要是收到工艺和材料的限制，而材料和工艺的进步不是一个短期内能够解决的问题。虽然相控阵激光雷达的前景很美好，符合人们对未来固态式激光雷达的期待，但是相控阵激光雷达走向成熟至真正落地可能还需要相对久一点的时间。
(3)Flash方案。Flash激光雷达可以与相机进行类比，具有成行成列的像素点，每次测量时，同时获取每个像素点的信息，与相机不同的是，得到的信息包含了与障碍物的距离，所形成的图像不再是二维的，而是包含了深度信息的三维图像。相比于逐点扫描式的激光雷达，Flash激光雷达通过一次测量即可获得整个视场的三维图像，因此成像速度快，像素分辨率和刷新帧频可以做到比较高。
Flash激光雷达从系统结构上来讲，无须将光束转向空间不同方向，是最符合固态概念的激光雷达方案。但激光发射功率受限于人眼安全阀值，而且Flash方案中的激光光束通常比较发散、能量衰减迅速，导致光束回波信号弱，探测器难以响应；另外，大功率高重频的激光器目前还没有彻底商业化，成本远高于现在所用的激光器，因此Flash激光雷达目前主要的应用场景都是近距离的。Flash激光雷达方案中开发高灵敏度的传感器阵列方向未来前景广阔，但是目前由于工艺的限制还存在较多的问题，同相控阵方案类似，Flash激光雷达虽然短期落地困难，但是最有可能受益于半导体工艺技术的进步。
5.测距原理
ToF的优点在于：①系统结构相对简单，容易实现；②测量速度快，数据采样率高；③随着技术和器件的成熟，测量精确度也比较高。但是ToF也存在以下问题:①激光安全限制了激光阀值，回波脉冲往往比较弱，测距能力的提升受到限制；②对于环境干扰信号的抵抗能力相对较低；③阀值触发有可能会产生测量误差。
(2)连续调频波法(FMCW)。FMCW激光雷达技术源于微波雷达中的调频连续波技术，它本质上是一种激光相干探测技术，该技术通过对连续波激光进行频率调制来获得距离信息。FMCW激光雷达的发射激光的光频率受到激光器谐振腔或声光调制器等调制，光频率随时间线性变化，调制后的大部分激光经过准直和扩束后发射出去，小部分激光作为本征光。激光束打在探测目标上后，返回的光和本征光相干产生拍频信号，根据拍频信号解算出被测物体的距离及速度。
(3)三角测距法。三角法的原理如下图所示，激光器发射激光，在照射到物体后，反射光由线性CCD接收，由于激光器和探测器间隔了一段距离，所以依照光学路径，不同距离的物体将会成像在CCD上不同的位置。按照三角公式进行计算，就能推导出被测物体的距离。
二、市场现状1.市场规模
激光雷达市场规模较大且处于快速发展期，根据Velodyne预测，2022年激光雷达总市场规模将达到119亿美元。根据应用分类，激光雷达将分别应用于自动驾驶汽车、工业、无人机、机器人和3D绘图等终端市场之中。其中，自动驾驶领域的市场规模占比最大，2022年将达到72亿美元，占比约为60.5%。
同时，自动驾驶领域的激光雷达市场发展迅速，Velodyne预计至2026年自动驾驶领域市场规模将增长到168亿美元，年复合增速将达到24%。
2.竞争格局
全球激光雷达市场整体都处于研究发展阶段，OEM、零部件巨头和科技公司都在以不同的方式提前进行市场布局。
三、技术现状1.技术路线
(2)按扫描方式：MEMS是主流，OPA、Flash潜力大。按照扫描方式，激光雷达可以分成机械和固态激光，固态激光包括MEMS、OPA、Flash。目前MEMS激光雷达是主流，未来Flash和OPA方案潜力巨大。
2.行业挑战(1)技术的更迭需要持续高研发投入。激光雷达的应用市场处于高速发展之中，行业的快速发展是机会，同时也是挑战。当前激光雷达的技术形态以及参数指标还没有最终定型，行业内竞争激烈。世界范围内各地激光雷达公司不断涌现，激光雷达技术方案不断迭代，下游市场对激光雷达性能的要求也不断提高。这种发展态势对企业的创新能力以及产品的迭代速度提出了考验，只有持续的技术创新和大量的研发投入才能不被市场淘汰，并在不断增长的市场中获得更大的发展。同时，激光雷达整体性能的提升有赖于基础元器件与核心功能模块的芯片化，技术发展方向与半导体技术深度契合，芯片设计、工艺改进以及芯片生产需要大量的高水平技术人员储备以及长期的大量资金投入，这为激光雷达公司的发展带来了巨大的挑战。(2)科技巨头公司入局加剧行业竞争。激光雷达广泛的应用前景、高速增长的市场容量以及为社会带来变革的潜在影响不止吸引了众多的科技型初创公司入局，同时在世界范围内也不断有巨头公司加入激光雷达行业的竞争，其中包括Google(谷歌)、Apple(苹果)、华为、Sony(索尼)和大型Tier1公司等。这些公司或在传感器研发与生产领域具有深厚的积累，或在消费电子领域积累了大量的技术经验，或在汽车电子市场具有巨大的影响力，他们普遍对上游供应商有更强的议价能力，对下游客户有更受认可的品牌效应，而且具有更加充足的技术人员与资金储备，这对行业内的激光雷达公司造成了冲击。虽然巨头公司由于其体量的原因面临着效率相对较低、产品迭代速度相对较慢的问题，但是他们的入局将会加剧行业的竞争，加快技术的升级换代。
四、发展趋势
(1)激光雷达未来技术将向着高性能、低成本、轻量化、固态化方向发展，高性能Flash和MEMS技术路线是激光雷达未来的发展方向。
(2)现阶段，昂贵的价格是制约激光雷达市场发展的最大障碍之一，伴随着自动驾驶传感器需求量的持续性扩大，规模效应将促使激光雷达价格大幅下降。
(1)机械式激光雷达结构复杂、需要人工调校等是造成其价格高昂的主要原因，其生产周期长也将限制其未来进一步发展。固态化、小型化、低成本是激光雷达未来发展的趋势。当下越来越多的厂商也推出混合固态式、固态式激光雷达，价格方面得到大幅度降低；
(2)固态激光雷达成本远低于机械式激光雷达。近几年随着技术的不断突破以及市场的激烈竞争，激光雷达的价格总体也呈下降趋势。Velodyne公司计划于2020年推出量产产品售价为100美金，届时将对其他激光雷达公司造成一定威胁；
(3)根据市场需求导向，激光雷达价格总体会呈下降走势，而规模经济会成为影响混合固态/纯固态激光雷达价格下探的主要因素。至于最终会下降到什么程度将直接取决于量产规模的大小。
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