汽车应用正在推动激光雷达发展,激光雷达行业的走势与出路如何?

传感器智造师 2021-10-21

激光雷达汽车

5152 字丨阅读本文需 14 分钟

据沙利文的统计及预测,至2025年激光雷达全球市场规模为135.4亿美元,较2019年可实现64.63%的年均复合增长率。

激光雷达市场正在呈现高速发展态势。

激光雷达,英文全称为Light Detection And Ranging,简称LiDAR,即光探测与测量,是一种集激光、全球定位系统(GPS)和IMU(Inertial Measurement Unit,惯性测量装置)三种技术于一身的系统,用于获得数据并生成精确的DEM(数字高程模型)。这三种技术的结合,可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑,测距精度可达厘米级,激光雷达最大的优势就是“精准”和“快速、高效作业”。它是一种用于精确获得三维位置信息的传感器,其在机器中的作用相当于人类的眼睛,能够确定物体的位置、大小、外部形貌甚至材质。

按照测距原理,激光雷达可以分为ToF(飞行时间测距)和FMCW(调频连续波),其中ToF路线是当前大多数厂商采用的主流技术方案,通过记录短脉冲发射到接收反射光之间的时间来测量距离,并在测量过程中通过反射光的角度来测量物体的位置。ToF激光雷达系统工作在波长850和905nm,接近可见光光谱。因此,最大激光功率受到限制,探测距离存在瓶颈。

相比之下,FMCW激光雷达允许更高的探测灵敏度和准确性。信噪比与传输光子的总数成正比,而与峰值激光功率无关。有专家称,FMCW激光雷达有望完全替代当前更广泛应用的ToF激光雷达不过,FMCW也有自己的短板,复杂度比ToF脉冲激光雷达更高,同时对激光光源有更严格的要求。目前FCMW方案在研居多,未来预计两者将会并存。

激光雷达的特点

Lidar系统测量3D空间中每个像素到发射器间的距离和方向,通过传感器创造出真实世界完整的3D模型。操作Lidar系统的基本方法是发射一束激光,然后测量光在物体表面反射而返回来的信号。Lidar模块接收到反射回来的信号所需的时间提供了一种直接测量Lidar系统与物体之间的距离的手段。关于物体的额外的信息,比如它的速率或材料成分,也可以通过测量反射回来的信号中的某些特性而得以确定,这些特性包括诱导多普勒频移(induced Doppler shift)。最后,通过操控发射出去的光,可以测量出环境中许多不同的点,从而创建出完整的3D模型。

激光雷达的原理与结构

与雷达原理相似,激光雷达使用的技术是飞行时间(TOF, Time of Flight)。具体而言,就是根据激光遇到障碍物后的折返时间,计算目标与自己的相对距离。激光光束可以准确测量视场中物体轮廓边沿与设备间的相对距离,这些轮廓信息组成所谓的点云并绘制出3D环境地图,精度可达到厘米级别,从而提高测量精度。

想象一下,当发出光脉冲时启动秒表,然后当光脉冲(从遇到的第一个物体反射出来)返回时停止计时器。通过测量激光的“飞行时间”,并且知道脉冲行进的速度,就可以计算距离。光以每秒30万千米的速度传播,因此需要非常高精度的设备来产生关于距离的数据。

为了产生完整的点云,传感器必须能够非常快速地对整个环境进行采样。激光雷达能够做到这一点的一种方式是通过在单个发射器/接收器上使用非常高的采样率。每个发射器每秒发射数万或数十万个激光脉冲。这意味着,多达100000个激光脉冲在1秒内完成从激光器单元上的发射器到被测量的物体的往返行程,并返回到激光雷达单元上位于发射器附近的接收器。

然而,固定线不足以映射整个环境——它只是在非常集中的区域给出非常清晰的分辨率。因此,许多激光雷达系统使用旋转组件或旋转镜来使线围绕环境进行360度扫描。常见的策略包括使单个发射器和接收器向上或下偏转使激光器视野覆盖范围更大。例如,Velodyne的64线激光雷达系统具有26.8度的垂直视角(通过旋转使其拥有360的度水平视角)。这个激光雷达可以从50米开外看到一个12米高的物体的顶部。

下图中可以看到,距离激光雷达的远近不同,点云的疏密程度也不相同,这是由于数据保真度随着距离而下降。虽然它不是完美的,但是较高分辨率可用于较近的物体,因为随着到传感器的距离增加,发射器之间的角度(例如,2度)会导致这些点带之间的间隔更大。

在ADAS系统中,激光雷达通过透镜、激光发射及接收装置,基于TOF飞行时间原理获得目标物体位置、移动速度等特征数据并将其传输给数据处理器;同时,汽车的速度、加速度、方向等特征数据也将通过CAN总线传输到数据处理器;数据处理器对目标物体及汽车本身的信息数据进行综合处理并根据处理结果发出相应的被动警告指令或主动控制指令,以此实现辅助驾驶功能。

下图展现的是谷歌无人驾驶公司Waymo在汽车上使用的激光雷达的布局:

激光雷达的分类

激光雷达按有无机械旋转部件分类,包括机械激光雷达和固态激光雷达。机械激光雷达带有控制激光发射角度的旋转部件,而固态激光雷达则依靠电子部件来控制激光发射角度,无需机械旋转部件。

机械激光雷达由光电二极管、MEMS反射镜、激光发射接受装置等组成,其中机械旋转部件是指图中可360°控制激光发射角度的MEMS发射镜。

固态激光雷达与机械雷达不同,它通过光学相控阵列(OpticalPhasedArray)、光子集成电路(PhotonicIC)以及远场辐射方向图(FarFieldRadiationPattern)等电子部件代替机械旋转部件实现发射激光角度的调整。

光学相控阵和微波相控阵是一个原理,利用的是光的相干干涉,出现了相位差,也就出现了干涉峰。所以如何让通过器件后光产生相位差是研究的重点,这就需要找到合适的材料和激发方法。现在的激发方法主要是电光扫描,也就是通过加电使材料产生相位差。现在两种比较热,一个是光波导阵列,一个是MEMS器件的,MEMS器件这个优点是扫描的速度快,但是感觉不是那么必要,因为瓶颈还是在扫描角度这儿,所以现在MEMS原理的商业产品还没有看到。

光波导阵列通过加电方式来实现光束扫描,利用光波导电光效应,对波导芯层加载电压,使每个波导芯层具有不同的附加折射率,波束得以在波导阵元输出截面光场具有不同的附加相位差,相位差按一定规律分布可引起输出光速的偏转。通过相位差按照一定规律分布输出,从而实现光束的扫描。

固态激光雷达优势:响应速度快,控制电压低,扫描角度大,价格低。

由于内部结构有所差别,两种激光雷达的体积大小也不尽相同。机械激光雷达体积较大、价格昂贵、测量精度相对较高,一般置于汽车外部。固态激光雷达尺寸较小、性价比较高、测量精度相对低一些,但可隐藏于汽车车体内,不会破坏外形美观。

根据线束数量的多少,激光雷达又可分为单线束激光雷达与多线束激光雷达。

顾名思义,单线束激光雷达扫描一次只产生一条扫描线, 其所获得的数据为2D数据,因此无法区别有关目标物体的3D信息。不过, 由于单线束激光雷达具有测量速度快、数据处理量少等特点, 多被应用于安全防护、地形测绘等领域。

传统的激光雷达扫描视场非常小,如果想360度的观察周围,怎么办?最自然的办法就是多搞几束激光,线数越多覆盖的角度越大。

多线束激光雷达扫描一次可产生多条扫描线,目前市场上多线束产品包括4线束、8线束、16线束、32线束、64线束等,其细分可分为2.5D激光雷达及3D激光雷达。2.5D激光雷达与3D激光雷达最大的区别在于激光雷达垂直视野的范围,前者垂直视野范围一般不超过10°,而后者可达到30°甚至40°以上,这也就导致两者对于激光雷达在汽车上的安装位置要求有所不同。

实际上,激光雷达当前阶段的痛点主要在于其成本高昂难以量产。以激光雷达龙头公司Velodyne为例,其64线机械激光雷达售价高达8万美元,32线机械激光雷达售价约2万美元;而全固态、半固态雷达的价格约为1000美元左右。国内禾赛科技的激光雷达产品平均售价也基本超过10万元。

近年来,随着激光雷达从机械式向固态式发展的趋势,以及中国相关产业链的成熟与完善,特别是中游激光雷达已经有不少国产厂商如禾赛科技、大疆、华为、速腾聚创、镭神智能等。激光雷达成本实现了快速的降低。其中OPA式的固态激光雷达在量产后有希望降到200美元以下。

据沙利文的统计及预测,激光雷达整体市场预计将呈现高速发展态势,至2025年全球市场规模为135.4亿美元,较2019年可实现64.63%的年均复合增长率。其中,在汽车和工业应用领域,Yole发布的《2021年用于汽车和工业应用的激光雷达》报告显示,激光雷达市场规模预计将从2020年的18亿美元增至2026年的57亿美元,复合年增长率(CAGR)为21%。

数据来源:YOLE

汽车应用正在推动激光雷达发展

激光雷达在自动驾驶车辆的定位、路径规划、决策、感知等方面有着重要的作用。从落地上看,沃尔沃和Luminar宣布量产;蔚来选择图达通的激光雷达作为ET7的标配;小鹏P5搭载了大疆旗下览沃的激光雷达;理想也与禾赛科技展开了下一代车型的合作。由此看来,激光雷达仍然是绝大多数企业走上自动驾驶的必经之路,2022-2025年之间预计绝大部分的主机厂会量产上激光雷达。

Yole市场分析师Alexis Debray表示:“2020年激光雷达在ADAS中的应用占汽车和工业激光雷达市场的1.5%。预计到2026年这一比例将达到41%,市场规模将达到23亿美元,同期CAGR高达111%。”

与此同时,包括自动驾驶出租车和自动班车在内的Robotic cars市场,预计到2026年将达到 5.75 亿美元,同期复合年增长率为 33%。

技术选择和供应链管理是激光雷达发展的关键因素。Yole发布的《2021年用于汽车和工业应用的激光雷达》报告中对已经落地的29个项目中的激光雷达供应商、市场份额、波长分类以及技术分类进行了汇总。

能够看到,法雷奥占比28%排在首位;RoboSense(速腾聚创)占比10%排名第二;Luminar、Livox(大疆)、电装、大陆、Cepton五家厂商以7%占有率并列第三;紧随其后的是Innoviz、Ibeo、Innovusion、华为、禾赛科技、Innovusion(图达通)、Velodyne等企业,占有率均为3%。其中,有5家中国厂商,分别是速腾聚创、Livox、华为、禾赛科技、图达通。

回顾行业发展历程,自2005年Velodyne的David Hall发明3D实时激光雷达以来,至今已有80多家激光雷达公司成立。许多厂商都押注于新技术,导致了激光雷达领域的技术充满多样性。Yole分析师 Pierrick Boulay表示,“尽管存在如此巨大的多样性,但传统的技术仍然代表着汽车行业的大多数设计成果。”

车载激光波长主要有905nm和1550nm两种,从不同技术路线来看,汽车制造商的首选仍然是基于905nm波长的边发射激光器EEL,但是基于1550nm的激光雷达正逐渐赢得市场。相比较而言,905nm激光雷达的优势主要体现在成本方面,早期机械激光雷达多采用此波长;但1550nm功率大,抗干扰性更好,在雨雾天气下具有更大优势,对人眼的危害更小,且有望通过硅平台进行集成,后续市场或倾向于采用1550nm波长,如Innovusion,禾赛科技,Luminar,Innoviz,Aeye,镭神智能都采用了1550nm波长光源。

对于成像方法,报告显示,2020年后机械式激光雷达技术路线逐渐式微,MEMS和Flash技术路线将借由上游元器件的成熟度和成本优势而逐渐趋于主流。虽然MEMS激光雷达和Flash激光雷达市场份额正在快速上涨,分别达到17%和10%;但机械式激光雷达仍被主机厂广泛使用,市场占比高达66%。在国内上榜企业中,速腾聚创、禾赛和华为多线布局,图达通走的是混合固态技术路线,大疆主要采用自己改进的扫描方式。

机械旋转式激光雷达是通过电机带动整个激光头做圆周运动,环绕分部的激光呈360°旋转扫描。基于这种工作原理,机械旋转式激光雷达需要依靠增加收发模块来实现高线束,整套系统元器件成本非常高。此外,传统机械旋转式激光雷达还牵涉到复杂的光路调试、装配过程。这些都导致传统机械旋转式激光雷达成本较高,且可靠性较差,难以达到车规级应用的状态。

MEMS激光雷达是较为成熟的半固态激光雷达,也是当下乘用车前装量产的主流方案。MEMS微振镜本质上是一种硅基半导体元器件,其特点是内部集成了“可动”的微型镜面,采用静电或电磁驱动方式,将以电机为主的扫描系统换成MEMS驱动的镜片,实现激光雷达的扫描。MEMS作为较为成熟的半导体元件具备大规模生产后成本下降的特性,但下降空间也相对有限。

Flash激光雷达不存在机械扫描过程,其帧率与脉冲频率有关。Flash激光雷达的成像原理与摄像机类似,其在短时间内向前方发射大面积的激光,依靠高灵敏度的探测器对回波信号进行收集并绘制成像。不过Flash激光单点面积比扫描型激光单点大,因此其功率密度较低,进而影响到Flash激光雷达的探测精度和探测距离。

围绕激光雷达的技术路线之争,一直是个绕不开的话题。就当下市场而言,相较机械式激光雷达,固态式、半固态式激光雷达在量产可行性方面更具优势,在现阶段更能展示风向标。但是,依然很难说具体哪个路线会成为行业的未来。

激光雷达行业的走势与出路

激光雷达的量产进展是影响这一市场发展的重要因素。今年以来,国内外车企纷纷加速激光雷达的量产落地进程。小鹏P5、蔚来ET7、极狐阿尔法S、智已L7等搭载激光雷达技术的车型都已经或将于今年年底到明年年初交付。不仅仅是自主品牌,本田或日产等国际传统巨头也陆续宣布将在量产新车上搭载激光雷达。

有数据显示,截至2021年第三季度,有60多家激光雷达公司瞄准了汽车行业。不同的技术被使用,在参与者之间,一些仍在研发,有一些已经在大规模量产了。有观点认为,因为激光雷达市场还很年轻,所以有如此多的企业是正常的,但随着成熟程度的提高,预计参与汽车行业的企业数量将会减少。

因为随着市场规律的优胜劣汰,有些企业将无法筹集足够的钱来维持生存,有些会被收购,有些则被迫倒闭。一方面,激光雷达公司之间将会有更多的收购,比如大陆过去收购了ASC;Aurora收购了Blackmore,今年又收购了OURS技术公司。

此外,自动驾驶的发展自然也会吸引主机厂和Tier1供应商的关注,其他来自半导体或消费领域的企业也将加入竞争。在这场完全自主的竞赛中,拥有大量资源或雄厚资金的大型企业将对相关公司进行收购或合作。包括主机厂、头部Tier1厂商以及高通、英伟达或英特尔等半导体公司正在通过收购提升自身产品布局和竞争力,将自己定位于自动驾驶系统的中心。

同时,来自消费市场的公司,如苹果、华为或小米也正在进入市场。根据其战略,他们正在自己造车或成为汽车行业的供应商。

图源:YOLE

这可能重塑汽车业的格局。Ouster首席执行官Angus Pacala在接受采访时表示,在未来五年内,可能只有三到五家激光雷达公司将生存下来。

未来几年,收购的故事或将在激光雷达行业更频繁地上演。鉴于资本的集聚效应,头部玩家或将获得更多优质资源、占据有利生态位,逐步形成马太效应。而对于新入局者和潜在入局者而言,如果不能及时满足市场的需求,则会被遗忘在历史的长河之中。

任何时代或市场从来不缺风口和机遇,重要的是如何成为那个勇立潮头,引领时代浪潮的人。

文章来源: 半导体行业观察,传感器技术

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