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全球激光雷達產業(yè)鏈！

2021-03-04 00:42:55·  來源：ittbank  
　
一、激光雷達是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器 激光雷達，即光學雷達、光達（LiDAR），是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器，其在機器中的作用相當于人類的眼睛，能夠確定物體的位置、大小、外部形貌甚至材質。 它通過測量激光信號的時間差、相位
 
 
 
一、激光雷達是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器
激光雷達，即光學雷達、光達（LiDAR），是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器，其在機器中的作用相當于人類的眼睛，能夠確定物體的位置、大小、外部形貌甚至材質。
 
它通過測量激光信號的時間差、相位差確定距離，通過水平旋轉掃描或相控掃描測角度，并根據這兩個數據建立二維的極坐標系；再通過獲取不同俯仰角度的信號獲得第三維的高度信息。高頻激光可在一秒內獲取大量（106-107 數量級）的位置點信息（稱為點云），并根據這些信息進行三維建模。除了獲得位置信息外，它還可通過激光信號的反射率初步區(qū)分不同材質。
激光雷達測量技術示意圖
 
二、激光雷達工作原理
激光雷達（LiDAR）能釋放多束激光，接收物體反射信號，計算目標與自身的距離。應用較多的是利用反射信號的折返時間計算距離（Time of Flight），也有連續(xù)波調頻（CWFM）方法。與雷達和攝像頭相比，激光雷達可以通過多束激光高頻發(fā)射獲取的反射數據形成周邊物體的高清3D的“點云”圖像。
 
激光雷達原理
 
激光雷達主要優(yōu)點是能對周邊物體進行建模形成高清3D圖像，以便計算機進行快速識別和決策。但在不良天氣條件下精度將會下降，以及無法辨別物體屬性。
激光雷達效果
 
三、激光雷達優(yōu)缺點
激光雷達優(yōu)點：
  • 1.形成周邊物體高清3D圖像；
  • 2.數據量較小，便于快速決策；
  • 3.探測距離較長，最遠達300m。
 
激光雷達缺點：
  • 1.雨雪、霧霾天氣精度下降；
  • 2.激光雷達難以分辨交通標志的含義和紅綠燈顏色；
  • 3.激光雷達接收的是光信號，容易受太陽光、其他車輛的激光雷達等關線影響；
  • 4.目前激光雷達成本較高。
 
四、固態(tài)激光雷達分類及技術路線
我們看到自動駕駛測試車車頂上較復雜的圓柱形裝置，即為機械式激光雷達。雖然目前測試車輛大多為機械式，但是它們調試、裝配工藝復雜，生產周期長，成本居高不下，并且機械部件壽命不長（約1000-3000小時），難以滿足苛刻的車規(guī)級要求（至少1萬小時以上），因此激光雷達量產商都在著手開發(fā)性能更好、體積更小、集成化程度更高、并且成本更低的激光雷達，由混合固態(tài)過渡到純固態(tài)激光雷達是必然的技術發(fā)展路線。
機械式激光雷達
 
混合固態(tài)激光雷達在產品外形上不存在機械旋轉的部件，但內部實際存在小巧的機械旋轉掃描系統(tǒng)，作為到固態(tài)激光雷達的過渡階段，近幾年量產的產品都屬于混合固態(tài)激光雷達。
 
固態(tài)激光雷達由于不存在旋轉的機械結構，所有的激光探測水平和垂直視角都是通過電子方式實現的，并且由于裝配調試可以實現自動化，能夠量產大幅降低成本，也提高了設備的耐用性，固態(tài)激光雷達是必然的技術發(fā)展路線。不過固態(tài)激光雷達的技術路線尚未定型，主要分為MEMS、OPA和3DFlash三類。
 
1、MEMS激光雷達
原理：MEMS激光雷達通過在硅基芯片上集成的MEMS微振鏡來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械式旋轉裝置，由微振鏡反射激光形成較廣的掃描角度和較大的掃描范圍。
MEMS激光雷達原理
優(yōu)點：MEMS微振鏡相對成熟，可以以較低的成本和較高的準確度實現固態(tài)激光掃描（只有微小的微振鏡振動），并且可以針對需要重點識別的物體進行重點掃描，落地快；
缺點：并沒有解決接收端的問題，光路較復雜，仍然存在微振鏡的振動，這個結構會影響整個激光雷達部件的壽命，并且激光掃描受微振鏡面積限制，與其他技術路線在掃描范圍上有一定差距。
典型企業(yè)和產品：Velodyne的Velarray系列，LeddarTech，innoluce，Innoviz，Fujitsu, Toyota，Draper。
 
2、光學相控陣OPA-Optical Phased Array激光雷達
原理：光學相控陣OPA固態(tài)激光雷達原理是多處振動產生的波相互疊加，有的方向互相增強，有的方向抵消，采用多個光源組成陣列，通過控制各光源發(fā)射的時間差，可以合成角度靈活、精密可控的主光束。
OPA激光雷達原理
優(yōu)點：沒有任何機械部件，結構相對簡單，精度高，體積小，成本低。
缺點：在主光束以外會形成“旁瓣”，到時能量分散，并且陣列單元尺寸小于500nm，對加工精度要求高，掃描角度有限，接收端方案薄弱，接收面大、信噪比較差。
典型企業(yè)和產品：Quanergy的S3，Blackmore, Strobe。
 
3、3D Flash激光雷達
原理：3D Flash激光雷達以一次脈沖向全視野發(fā)射，利用飛行時間成像儀接收反射信號并成像，發(fā)射的激光波長是關鍵因素。如果使用905nm，雖然成本較低，但功率受限，因此探測距離不夠遠。若使用1550nm，在接收上需要更高成本的探測器，目前尚沒有商用條件。也有一批廠商采用Flash技術路線，對成本和人眼保護的平衡形成了一定的解決方案。
優(yōu)點：全固態(tài)，沒有移動部件；發(fā)射端方案較成熟，成本較低；容易通過車規(guī)級檢驗。
缺點：采用單脈沖測量，單脈沖需要較高的能量，峰值功率能達到上百千瓦至兆瓦級別，需要搭載固體激光器，而固體激光器成本很高，且閃光能量可能傷害人眼安全，受嚴格限制。
典型企業(yè)和產品：LeddarTech的LCA3，Tetravue，Princeton Lightwave，Trilumina (VCSEL陣列)，Toyota豐田，ESPROS的EPC660/635系列面陣，Advanced Scientific Concepts(ASC)，TI的OPT8241等；
 
五、激光雷達是產業(yè)鏈的核心，下游應用于測繪和導航
激光雷達由發(fā)射器、接收器（感光元件和長焦鏡頭）、慣導系統(tǒng)構成。實際上，產業(yè)鏈的上游制造元件成本不高，不是構成成本的主要因素；且因為激光雷達是下游測繪、導航等應用的核心部件，目前產能稀缺導致供不應求，呈現賣方市場，對下游有很強的定價權，因此該產業(yè)鏈主要附加值在于激光雷達部分。
 
作為一種能夠獲取物體位置、形狀的信息的傳感器，激光雷達天生地適用于地形地圖測繪。常用于室內建模、道路及設施數據采集、礦山采空區(qū)測量，或搭載于飛行器上進行大范圍的電力巡線、林業(yè)普查、水利勘測等等，應用廣泛。目前該領域硬件技術較為成熟，已有室內、搭載于汽車、船舶、飛行器的解決方案，體積較大，精度較高，探測范圍較遠。該領域軟件方面是大規(guī)模發(fā)展的瓶頸，尚未有成熟的處理大量點云數據并建模的方案，目前市面上都是以非標特制軟件為主，通用平臺式尚有待發(fā)展。
 
近年來，激光雷達被用于導航領域，如機器人、無人機的避障，和智能車的自動駕駛（包括輔助駕駛等不同級別）。由于應用場景的不同，在導航領域要求激光雷達能夠快速掃描、動態(tài)處理數據并實時反饋，在精度方面相對要求較低，只需分辨清楚障礙物、行人、汽車等，垂直角分辨率一般在1°左右。目前該領域高端硬件技術正在發(fā)展中，產品應用于各類智能車的原型車上，低端技術如應用于掃地機器人等低分辨慢響應已經實現量產。軟件方面，由于目前各類無人車的研發(fā)公司均為互聯網巨頭或汽車巨頭，如谷歌、百度、大眾、寶馬等，各公司均有自研算法，壁壘較高，也有少量創(chuàng)業(yè)公司面向市場提供了包含算法邏輯的解決方案給客戶選擇，但是非?；A，也需要客戶進行進一步開發(fā)。
 
目前的低級別自動駕駛，即輔助駕駛和部分自動駕駛領域中，主要的定位測距技術仍然是毫米波雷達和視覺傳感器。激光雷達與之相比成本過高，未能被車企接受。超聲波雷達目前單價約為150 美元，激光雷達經過近10 年來雨后春筍般的發(fā)展，價格已從Velodyne 獨占時期的逾10 萬美元（機械式）驟降至Quanergy 等創(chuàng)業(yè)公司聲稱的200-300 美元（固態(tài)式）。
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