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全球激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈！

2021-03-04 00:42:55·  來源：ittbank  
　
一、激光雷達(dá)是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器 激光雷達(dá)，即光學(xué)雷達(dá)、光達(dá)（LiDAR），是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器，其在機(jī)器中的作用相當(dāng)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(zhì)。 它通過測量激光信號的時間差、相位
 
 
 
一、激光雷達(dá)是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器
激光雷達(dá)，即光學(xué)雷達(dá)、光達(dá)（LiDAR），是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器，其在機(jī)器中的作用相當(dāng)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(zhì)。
 
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(zhuǎn)掃描或相控掃描測角度，并根據(jù)這兩個數(shù)據(jù)建立二維的極坐標(biāo)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(nèi)獲取大量（106-107 數(shù)量級）的位置點(diǎn)信息（稱為點(diǎn)云），并根據(jù)這些信息進(jìn)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(zhì)。
激光雷達(dá)測量技術(shù)示意圖
 
二、激光雷達(dá)工作原理
激光雷達(dá)（LiDAR）能釋放多束激光，接收物體反射信號，計算目標(biāo)與自身的距離。應(yīng)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(diào)頻（CWFM）方法。與雷達(dá)和攝像頭相比，激光雷達(dá)可以通過多束激光高頻發(fā)射獲取的反射數(shù)據(jù)形成周邊物體的高清3D的“點(diǎn)云”圖像。
 
激光雷達(dá)原理
 
激光雷達(dá)主要優(yōu)點(diǎn)是能對周邊物體進(jìn)行建模形成高清3D圖像，以便計算機(jī)進(jìn)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(dá)效果
 
三、激光雷達(dá)優(yōu)缺點(diǎn)
激光雷達(dá)優(yōu)點(diǎn)：
  • 1.形成周邊物體高清3D圖像；
  • 2.數(shù)據(jù)量較小，便于快速決策；
  • 3.探測距離較長，最遠(yuǎn)達(dá)300m。
 
激光雷達(dá)缺點(diǎn)：
  • 1.雨雪、霧霾天氣精度下降；
  • 2.激光雷達(dá)難以分辨交通標(biāo)志的含義和紅綠燈顏色；
  • 3.激光雷達(dá)接收的是光信號，容易受太陽光、其他車輛的激光雷達(dá)等關(guān)線影響；
  • 4.目前激光雷達(dá)成本較高。
 
四、固態(tài)激光雷達(dá)分類及技術(shù)路線
我們看到自動駕駛測試車車頂上較復(fù)雜的圓柱形裝置，即為機(jī)械式激光雷達(dá)。雖然目前測試車輛大多為機(jī)械式，但是它們調(diào)試、裝配工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，成本居高不下，并且機(jī)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(dá)量產(chǎn)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(dá)，由混合固態(tài)過渡到純固態(tài)激光雷達(dá)是必然的技術(shù)發(fā)展路線。
機(jī)械式激光雷達(dá)
 
混合固態(tài)激光雷達(dá)在產(chǎn)品外形上不存在機(jī)械旋轉(zhuǎn)的部件，但內(nèi)部實(shí)際存在小巧的機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)，作為到固態(tài)激光雷達(dá)的過渡階段，近幾年量產(chǎn)的產(chǎn)品都屬于混合固態(tài)激光雷達(dá)。
 
固態(tài)激光雷達(dá)由于不存在旋轉(zhuǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，所有的激光探測水平和垂直視角都是通過電子方式實(shí)現(xiàn)的，并且由于裝配調(diào)試可以實(shí)現(xiàn)自動化，能夠量產(chǎn)大幅降低成本，也提高了設(shè)備的耐用性，固態(tài)激光雷達(dá)是必然的技術(shù)發(fā)展路線。不過固態(tài)激光雷達(dá)的技術(shù)路線尚未定型，主要分為MEMS、OPA和3DFlash三類。
 
1、MEMS激光雷達(dá)
原理：MEMS激光雷達(dá)通過在硅基芯片上集成的MEMS微振鏡來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式旋轉(zhuǎn)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(dá)原理
優(yōu)點(diǎn)：MEMS微振鏡相對成熟，可以以較低的成本和較高的準(zhǔn)確度實(shí)現(xiàn)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(diǎn)識別的物體進(jìn)行重點(diǎn)掃描，落地快；
缺點(diǎn)：并沒有解決接收端的問題，光路較復(fù)雜，仍然存在微振鏡的振動，這個結(jié)構(gòu)會影響整個激光雷達(dá)部件的壽命，并且激光掃描受微振鏡面積限制，與其他技術(shù)路線在掃描范圍上有一定差距。
典型企業(yè)和產(chǎn)品：Velodyne的Velarray系列，LeddarTech，innoluce，Innoviz，F(xiàn)ujitsu, Toyota，Draper。
 
2、光學(xué)相控陣OPA-Optical Phased Array激光雷達(dá)
原理：光學(xué)相控陣OPA固態(tài)激光雷達(dá)原理是多處振動產(chǎn)生的波相互疊加，有的方向互相增強(qiáng)，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(dá)原理
優(yōu)點(diǎn)：沒有任何機(jī)械部件，結(jié)構(gòu)相對簡單，精度高，體積小，成本低。
缺點(diǎn)：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(chǎn)品：Quanergy的S3，Blackmore, Strobe。
 
3、3D Flash激光雷達(dá)
原理：3D Flash激光雷達(dá)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(guān)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(yuǎn)。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(shù)路線，對成本和人眼保護(hù)的平衡形成了一定的解決方案。
優(yōu)點(diǎn)：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(yàn)。
缺點(diǎn)：采用單脈沖測量，單脈沖需要較高的能量，峰值功率能達(dá)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(yán)格限制。
典型企業(yè)和產(chǎn)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(dá)是產(chǎn)業(yè)鏈的核心，下游應(yīng)用于測繪和導(dǎo)航
激光雷達(dá)由發(fā)射器、接收器（感光元件和長焦鏡頭）、慣導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成。實(shí)際上，產(chǎn)業(yè)鏈的上游制造元件成本不高，不是構(gòu)成成本的主要因素；且因?yàn)榧す饫走_(dá)是下游測繪、導(dǎo)航等應(yīng)用的核心部件，目前產(chǎn)能稀缺導(dǎo)致供不應(yīng)求，呈現(xiàn)賣方市場，對下游有很強(qiáng)的定價權(quán)，因此該產(chǎn)業(yè)鏈主要附加值在于激光雷達(dá)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(dá)天生地適用于地形地圖測繪。常用于室內(nèi)建模、道路及設(shè)施數(shù)據(jù)采集、礦山采空區(qū)測量，或搭載于飛行器上進(jìn)行大范圍的電力巡線、林業(yè)普查、水利勘測等等，應(yīng)用廣泛。目前該領(lǐng)域硬件技術(shù)較為成熟，已有室內(nèi)、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(yuǎn)。該領(lǐng)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(diǎn)云數(shù)據(jù)并建模的方案，目前市面上都是以非標(biāo)特制軟件為主，通用平臺式尚有待發(fā)展。
 
近年來，激光雷達(dá)被用于導(dǎo)航領(lǐng)域，如機(jī)器人、無人機(jī)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(yīng)用場景的不同，在導(dǎo)航領(lǐng)域要求激光雷達(dá)能夠快速掃描、動態(tài)處理數(shù)據(jù)并實(shí)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(lǐng)域高端硬件技術(shù)正在發(fā)展中，產(chǎn)品應(yīng)用于各類智能車的原型車上，低端技術(shù)如應(yīng)用于掃地機(jī)器人等低分辨慢響應(yīng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。軟件方面，由于目前各類無人車的研發(fā)公司均為互聯(lián)網(wǎng)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(chǔ)，也需要客戶進(jìn)行進(jìn)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(lǐng)域中，主要的定位測距技術(shù)仍然是毫米波雷達(dá)和視覺傳感器。激光雷達(dá)與之相比成本過高，未能被車企接受。超聲波雷達(dá)目前單價約為150 美元，激光雷達(dá)經(jīng)過近10 年來雨后春筍般的發(fā)展，價格已從Velodyne 獨(dú)占時期的逾10 萬美元（機(jī)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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