版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)
文檔簡介
激光雷達(dá)行業(yè)市場分析1.從發(fā)展歷程看激光雷達(dá)激光雷達(dá)(LightDetectionAndRanging,簡稱"LiDAR")即光探測與測量,是一種集激光、全球定位系統(tǒng)(GPS)和IMU(InertialMeasurementUnit,慣性測量裝置)三種技術(shù)于一身的系統(tǒng),用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM(數(shù)字高程模型)。這三種技術(shù)的結(jié)合,可以高度準(zhǔn)確地定位激光束打在物體上的光斑,測距精度可達(dá)厘米級(jí),激光雷達(dá)最大的優(yōu)勢就是"精準(zhǔn)"和"快速、高效作業(yè)"。從1960年人類首次制造出激光,到1992年三菱首次應(yīng)用激光雷達(dá)于汽車測距,再到2007年Velodyne生產(chǎn)出首臺(tái)商用3D動(dòng)態(tài)掃描激光雷達(dá),如今,激光雷達(dá)的發(fā)展呈現(xiàn)出加速化、多技術(shù)路徑并舉的特點(diǎn),是汽車感知架構(gòu)的關(guān)鍵部件。1.1.回首發(fā)展脈絡(luò),激光雷達(dá)緣何興起1.1.1.生根發(fā)芽,吸引國內(nèi)外勢力逐鹿藍(lán)海激光雷達(dá)的最早車規(guī)級(jí)應(yīng)用源于1992年,三菱公司在其旗艦產(chǎn)品第三代Debonair上搭載了可以用于探測跟車距離的激光雷達(dá)??梢燥@示跟車距離,并在距離過近時(shí)發(fā)出預(yù)警。但是,當(dāng)時(shí)惡劣天氣可靠性更高、技術(shù)更為成熟的毫米波雷達(dá)更適應(yīng)這一功能,很快便取而代之發(fā)展成如今的ACC自適應(yīng)巡航功能。21世紀(jì)后,美國陷入阿富汗和伊拉克兩場戰(zhàn)爭,無人駕駛車輛被視為減少美軍傷亡的方法之一。2004年到2007年間,由DARPA(美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局)發(fā)起了三屆無人駕駛挑戰(zhàn)賽(DARPAGrandChallenge)。首屆比賽中7支隊(duì)伍均未完賽,但Velodyne公司的大衛(wèi)·霍爾卻從此意識(shí)到了激光雷達(dá)的巨大潛力,以及當(dāng)時(shí)單線式固定視距激光雷達(dá)的局限性。比賽結(jié)束后,霍爾發(fā)明了一臺(tái)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)式64線激光雷達(dá),形狀如同“車頂飛碟”,一改之前激光雷達(dá)僅掃描單一固定視線的思路。第二屆比賽中,開始有隊(duì)伍在車輛頂端裝載激光雷達(dá),但由于車體機(jī)械故障未能完成比賽。至第三屆比賽時(shí),霍爾的激光雷達(dá)開始大放光彩,幾乎被所有完賽的隊(duì)伍所采用。這就是日后Velodyne的主打產(chǎn)品之一,機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)HDL64E的原型。第三屆DAPRA結(jié)束后的幾年里,霍爾不斷改進(jìn)產(chǎn)品,在2009年開始正式售賣日后聞名天下的機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)鼻祖HDL-64E,與原型機(jī)相比體積顯著減小。同年,谷歌創(chuàng)始人拉里·佩奇邀請了代表斯坦福拿下冠軍的塞巴斯蒂安·特龍教授(SebastianThrun),最終形成谷歌旗下的自動(dòng)駕駛公司W(wǎng)aymo。2012年,17歲的天才少年羅素從斯坦福大學(xué)退學(xué),創(chuàng)立了激光雷達(dá)的另一個(gè)巨頭Luminar,同年,主打固態(tài)激光雷達(dá)的Quanergy在美國加州成立。此后陸續(xù)誕生了Aeye,Innoviz,Innovusion等上百家激光雷達(dá)公司。Waymo在2016年發(fā)布了自研的激光雷達(dá),博世在2017年收購了美國Tetravue入局激光雷達(dá),蔡司也在2018年投資了激光雷達(dá)企業(yè)BridgerPhotonics。中國公司中,百度于2013年開始布局自動(dòng)駕駛,此后陸續(xù)出現(xiàn)Drive.ai、小馬智行、禾多科技、文遠(yuǎn)知行等一批公司,構(gòu)成了中國自動(dòng)駕駛半壁江山。這些公司是激光雷達(dá)起步階段最主要的客戶群。2014年,禾賽科技、砝石科技、速騰聚創(chuàng)在國內(nèi)成立。2016年,在測繪激光雷達(dá)領(lǐng)域默默耕耘了11年的北科天繪發(fā)布了國內(nèi)首款激光雷達(dá)產(chǎn)品。萬集科技、鐳神智能、北醒光子等數(shù)十家激光雷達(dá)企業(yè),如今已經(jīng)成為全球車載激光類額達(dá)領(lǐng)域中,不容忽視的一股力量。1.1.2.開花結(jié)果,固態(tài)化路線掀起技術(shù)迭代浪潮為滿足安全性、穩(wěn)定性和壽命的保障,激光雷達(dá)使用的軟硬件都需要過車規(guī)認(rèn)證。而機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)并不適用,其一是動(dòng)輒上萬美元的高昂單價(jià)使諸多車企難以承受;其二也是更難解決的問題,其內(nèi)部使用了大量機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,在體積和壽命上有缺陷,幾乎不可能通過車規(guī)認(rèn)證。固態(tài)和混合固態(tài)(半固態(tài))激光雷達(dá)成為了被看好的方向,其思路是改造激光雷達(dá)中的激光器,通過尋找其他工程實(shí)現(xiàn)方式減少激光器中的旋轉(zhuǎn)部件,從而提升產(chǎn)品的穩(wěn)定性、壽命并減小量產(chǎn)成本。其中,固態(tài)雷達(dá)被認(rèn)為是更優(yōu)方案。但目前難以實(shí)現(xiàn)。2014年成立于硅谷的Quanergy曾令固態(tài)OPA(光學(xué)相控陣,固態(tài)激光雷達(dá)主流技術(shù)之一)技術(shù)受到廣泛關(guān)注。但其并沒有可靠的車軌級(jí)產(chǎn)品問世,核心參數(shù)探測距離在2016年時(shí)是300m,2017年卻變成了模糊不清的“很遠(yuǎn)”;市場對(duì)OPA的熱情逐漸冷卻,Quanergy的市場占比也不及從前。另一固態(tài)雷達(dá)解決方案FLASH目前發(fā)展也尚未成熟,探測距離和分辨率難以兼顧,需要多年研究才能走向市場規(guī)?;T诂F(xiàn)有技術(shù)和工藝水平下,混合固態(tài)更能滿足量產(chǎn)車型對(duì)雷達(dá)穩(wěn)定性和壽命的要求。2018年,德國大眾旗下的奧迪A8成為首個(gè)搭載激光雷達(dá)的量產(chǎn)車型,它使用了由法國Tier1(汽車行業(yè)一級(jí)供應(yīng)商)法雷奧推出的全球第一個(gè)完成車規(guī)量產(chǎn)認(rèn)證的激光雷達(dá)Scala,其使用的就是4線混合固態(tài)激光雷達(dá)路徑。但由于其線束太少,成像的可靠性和準(zhǔn)度都大打折扣。被判斷并不是激光雷達(dá)嘗鮮者的中國車企,后來居上成為了全球最積極搭載激光雷達(dá)的客群。自2020年起,全球范圍有21款車型宣布將搭載激光雷達(dá),中國公司推出了其中的14款,這些車企選擇的都是混合固態(tài)激光雷達(dá)。目前,應(yīng)用最廣泛的混合固態(tài)方案是MEMS(微機(jī)電系統(tǒng)),首個(gè)MEMS混合固態(tài)激光雷達(dá)是以色列公司Innoviz在2017年發(fā)布的InnovizOne;速騰緊跟其后,在同年推出了與InnovizOne相似的M1。另一個(gè)被看好的混合固態(tài)路線是單軸轉(zhuǎn)鏡,即Scala使用的方案。華為在2020年12月正式發(fā)布單軸轉(zhuǎn)鏡的96線激光雷達(dá),并同步宣布了合作車型為北汽極狐阿爾法S。其準(zhǔn)度和可靠性都大大超過奧迪搭載的4線激光雷達(dá)。禾賽在2021年第四季度推出了參數(shù)高于華為的128線激光雷達(dá)AT128,目前已拿下理想、集度、吉利旗下路特斯、高合等品牌的定點(diǎn)(指成為某品牌的指定供應(yīng)商)。由大疆孵化的覽沃(Livox)另辟蹊徑,它沒有選擇被外國廠商探索、驗(yàn)證的路線,而是自己原創(chuàng)了棱鏡旋轉(zhuǎn)掃描方案。在2020年CES上,覽沃發(fā)布了“Horizon地平線”和Tele-15兩款產(chǎn)品,地平線單價(jià)低至800美元。同年底,覽沃宣布獲得小鵬P5訂單,成為最早拿下量產(chǎn)訂單的中國激光雷達(dá)公司。該車型已于2021年交付。1.2.細(xì)究技術(shù)趨勢,為什么智能駕駛離不開激光雷達(dá)?1.2.1.主流傳感方式原理不盡相同,在車載領(lǐng)域各有優(yōu)劣汽車感知系統(tǒng)以攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)、GNSS(全球定位系統(tǒng))等為主。傳感器作為實(shí)現(xiàn)汽車智能化的感知端設(shè)備,隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展,其重要性愈發(fā)凸顯。汽車環(huán)境監(jiān)測類傳感器主要包括:超聲波傳感器、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭等。監(jiān)測類傳感器分布于車身內(nèi)外,通過獲取外界環(huán)境信息,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后,傳遞至汽車的中央處單元中,從而幫助智能駕駛決策行為。此外,基于GNSS、高精度地圖和車路協(xié)同技術(shù)快速發(fā)展,進(jìn)一步提升了智能駕駛的安全性、可靠性。攝像頭感知功能強(qiáng)大,是ADS(自動(dòng)駕駛)與ADAS(高階智能輔助駕駛)的必備終端。其可以對(duì)路面所有事物進(jìn)行成像,也是唯一一個(gè)可以分辨出具體顏色和圖形的感知硬件。特斯拉使用的就是單純基于攝像頭的純視覺路線。但攝像頭嚴(yán)重依賴數(shù)據(jù)訓(xùn)練,具有很高的行業(yè)壁壘。在一些特殊場景中也容易造成判斷失誤,例如特斯拉汽車將白色的貨車識(shí)別成了白云或天空而造成相撞。攝像頭的探測距離受到像素的限制,而高像素?cái)z像頭需要大算力芯片支持,無形中增加了成本。此外,攝像頭受惡劣天氣影響很大,無法保證全天候條件下的穩(wěn)定工作。激光雷達(dá)綜合性能優(yōu)勢明顯:成像質(zhì)量好,信息獲取全。通過發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)的對(duì)比,構(gòu)建出點(diǎn)云圖,從而實(shí)現(xiàn)諸如目標(biāo)距離、方位、速度、姿態(tài)、形狀等信息的探測和識(shí)別。除了傳統(tǒng)的障礙物檢測以外,激光雷達(dá)還可以應(yīng)用于車道線檢測。優(yōu)點(diǎn)在于測距遠(yuǎn)、精度高,獲取信息豐富,抗源干擾能力強(qiáng)。主要缺點(diǎn)是在一些極端天氣條件下可能會(huì)有一定影響,目前價(jià)格相對(duì)較昂貴。毫米波雷達(dá)性能穩(wěn)定、穿透性強(qiáng),性價(jià)比高受青睞。其波長在1~10mm之間,可以輕易地穿透塑料等材質(zhì),因?yàn)榇┩噶^強(qiáng),所以受到雨雪等天氣的影響較小。毫米波雷達(dá)可以同時(shí)探測目標(biāo)物體的距離和速度,其價(jià)格和體積也相對(duì)適中,易于在車輛進(jìn)行安裝。缺點(diǎn)在于毫米波雷達(dá)分辨率有限,很難探測障礙物的具體形狀。當(dāng)需要探測行人這種反射界面較小的物體的時(shí)候,毫米波雷達(dá)容易出現(xiàn)誤報(bào)。對(duì)于垂直方向甚至不做區(qū)分。超聲波雷達(dá)價(jià)格便宜,體積較小,技術(shù)發(fā)展較為成熟。但其依賴于聲波,傳播速度遠(yuǎn)低于光速,不適用于高速運(yùn)動(dòng)的汽車。其本身探測距離較短,而且只能探測到一定范圍內(nèi)有無障礙物及障礙物的距離,無法判斷障礙物的形狀及具體的位置,目前超聲波雷達(dá)主要用于停車等低速場景。C-V2X,即車路協(xié)同是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù),允許車輛通過通信信道彼此共享信息。其需要路面以及其他車輛也配有相同設(shè)備,十分依賴基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。目前C-V2X基礎(chǔ)設(shè)備仍在建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋度低,尚不能廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛場景中。高精度地圖可以為自動(dòng)駕駛提供自變量和目標(biāo)函數(shù)的功能。其精度可以精確到每個(gè)車道的具體導(dǎo)向,甚至彎道的曲率,坡度的斜率等毫米級(jí)信息。但地圖測繪涉及國家安全,國內(nèi)管理嚴(yán)格。中國高精度地圖測繪需要甲級(jí)資質(zhì),僅有百度、高德、華為、四維圖新等十余家公司具備,目前覆蓋的道路也非常有限。1.2.2.純視覺路線關(guān)山難越,多傳感器融合是大勢所趨量產(chǎn)車自動(dòng)駕駛領(lǐng)域,純視覺路線龍頭特斯拉構(gòu)建行業(yè)壁壘。特斯拉基于攝像頭+毫米波雷達(dá)的“純視覺路線”,具有全球領(lǐng)先的研發(fā)能力和最豐富的用戶數(shù)據(jù)積累。自動(dòng)駕駛的算法核心是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí),需要通過海量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練,尤其是對(duì)于攝像頭獲取圖像的識(shí)別和處理,因此測試?yán)锍淌占臄?shù)據(jù)量成為決定公司實(shí)力最重要的因素之一。根據(jù)特斯拉2022年各季度生產(chǎn)和交付報(bào)告顯示,2022年累計(jì)交付車輛高達(dá)131萬輛,新能源汽車銷量穩(wěn)居世界第一,其中上海超級(jí)工廠交付71萬輛,占全球交付量一半以上,積累了遠(yuǎn)超競爭對(duì)手的數(shù)據(jù)量。依靠純視覺路線,競爭者難以挑戰(zhàn)其地位。多傳感器融合路線彎道超車,是自動(dòng)駕駛發(fā)展的創(chuàng)新之路。不同類型的傳感器各有優(yōu)劣,因而單一的傳感器難以滿足復(fù)雜的自動(dòng)駕駛各類應(yīng)用場景。多傳感器信息融合(MSF)利用計(jì)算機(jī)技術(shù),對(duì)多傳感器或多源的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行多層次、多空間的組合處理不同傳感器優(yōu)勢互補(bǔ),在不同使用場景中發(fā)揮各自功能,從而有效地提高系統(tǒng)的冗余度和容錯(cuò)性,最終幫助做出有效判斷和決策。1.3.挖掘市場剛需,車規(guī)級(jí)對(duì)激光雷達(dá)有哪些要求?車規(guī)級(jí)激光雷達(dá)產(chǎn)品國際標(biāo)準(zhǔn)趨于完備,國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)加速修訂中。車載激光雷達(dá)是一種主動(dòng)傳感器,對(duì)于車規(guī)級(jí)自動(dòng)駕駛產(chǎn)品,首先考慮就是所發(fā)射的激光是否安全,避免對(duì)周圍的人員產(chǎn)生危害。目前國際標(biāo)準(zhǔn)包括IEC60825-1國際激光產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn),IATF16949質(zhì)量管理體系,ANSIZ136.1美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)安全指南文件等。其中IEC60825-1是全球接受度最高的文件。針對(duì)國內(nèi),激光雷達(dá)尚沒有統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),廠商之間的所采用的標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。例如速騰聚創(chuàng)的整機(jī)測試要滿足IATF16949質(zhì)量管理體系、IEC60825激光產(chǎn)品安全要求,能經(jīng)受住-40℃至105℃工作溫度,并符合PPAP(生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序),以及客戶的DV/PV試驗(yàn)(電子電器試驗(yàn))等要求。2.從工作原理看激光雷達(dá)2.1.測距原理:dTOF是主流,F(xiàn)MCW尚在預(yù)研激光雷達(dá)按測距原理分類可以分為飛行時(shí)間法(TOF)和連續(xù)調(diào)頻波法(FMCW)。飛行時(shí)間法TOF中主流采用的是直接飛行時(shí)間法dTOF,其工作原理是,測量發(fā)射激光后其與反射波波脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔,即測量激光脈沖來回的往返時(shí)間T,即可得到目標(biāo)距離S=CT/2,其中C為光在空氣中的傳播速度。由于激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短、瞬時(shí)功率較高、耗時(shí)較短,因此能夠探測到更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)的同時(shí)也能保持較高測量頻率。同時(shí)其計(jì)時(shí)精度不會(huì)因距離改變而發(fā)生改變,是目前激光雷達(dá)廠商采用的主流方案。此外還有一種iTOF間接式測量法,使用發(fā)射正弦波/方波與接收正弦波/方波之間相位差來反推時(shí)間。連續(xù)調(diào)頻波法FMCW的測距原理為發(fā)射調(diào)頻連續(xù)激光,通過回波信號(hào)的延時(shí)獲得差拍信號(hào)頻率對(duì)應(yīng)出飛行時(shí)間,通過距離公式反推目標(biāo)物距離并通過多普勒頻率公式測算目標(biāo)物速度。其不會(huì)受到太陽光等干擾,抗干擾能力更強(qiáng)、激光峰值發(fā)射功率能夠穩(wěn)定在較低水平(100mW),可以獲得每個(gè)像素的徑向速度。通過FMCW技術(shù),激光雷達(dá)的視距可以擴(kuò)展至1,000米或者2,000米,大大提高激光雷達(dá)的測距范圍。但FMCW的激光雷達(dá)對(duì)激光器的要求非常高,同時(shí)其的信號(hào)解算又相當(dāng)復(fù)雜,在技術(shù)上目前仍具有挑戰(zhàn)。另外其作為測距方式,與成熟的機(jī)械式掃描方式并不完全匹配,整體難以通過車規(guī)級(jí)認(rèn)證。無形之中增加了設(shè)計(jì)和制造的難度,造成成本較高。預(yù)計(jì)在2024年左右可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。2.2.基本模塊:四大單元相輔相成,固態(tài)化、集成化是未來趨勢2.2.1.發(fā)射單元:905nm成熟工藝,1550nm未來可期LiDAR的激光器可以分為以光纖激光器為代表的1550nm(遠(yuǎn)波紅外,SWIR)激光器和以半導(dǎo)體激光器為代表的905nm(近紅外,NIR)激光器。其中,近紅外激光器依據(jù)發(fā)光原理的不同,又可分為邊發(fā)射激光器(EEL),垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)和固體激光器。905nm器件較為成熟,1550nm是未來發(fā)展方向。傳統(tǒng)的905nm可以使用廉價(jià)的硅基CMOS作為接收端,其光噪聲和控制信號(hào)比較平穩(wěn),但是905nm測距受限在150米以內(nèi)。由于出于安全角度要選用一級(jí)的能量(只能實(shí)現(xiàn)150m),近紅外波段僅適用于乘用車。商用車至少需要300米探測距離,就需要用到1550nm的光源。遠(yuǎn)波紅外激光在空氣中的衰減性更弱,進(jìn)入人的視網(wǎng)膜之后無法聚焦不會(huì)傷害眼睛晶體,可以在保證安全基礎(chǔ)上人為增加能量,增大探測距離。但是,遠(yuǎn)波紅外光源必須使用較為昂貴的銦鎵砷(InGaAs)作為接收端,其具有生產(chǎn)工藝難,激光器價(jià)格高的缺陷。此外探測距離遠(yuǎn)意味著功率大,這也對(duì)芯片散熱能力以及封裝提出了更高要求。對(duì)905nm工藝而言,VCSEL替代EEL是方向,固體激光器尚不成熟。目前,成熟的近紅外工藝(905nm等)主要的激光發(fā)射器為邊發(fā)射激光器(EEL)和垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。其中邊發(fā)射激光器,最常用的是InGaAs/GaAs脈沖激光二極管。其芯片結(jié)構(gòu)由單通道發(fā)展到4通道,甚至6通道或8通道。具有高的峰值功率和高光電轉(zhuǎn)換效率,由單通道結(jié)構(gòu)約75W提高到多通道結(jié)構(gòu)400W甚至近千瓦。但其缺點(diǎn)是由于其發(fā)射口長寬尺寸不同,發(fā)出的光斑為橢圓形,需要額外的光束整形光學(xué)元件。其光譜發(fā)散也更寬。VCSEL相對(duì)EEL,其諧振腔相對(duì)較短以便于陣列化、集成化、芯片化,光斑更接近圓形,免去EEL的橢圓光斑整形溫度敏感性低,在較寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。在未來定制化后可以進(jìn)一步壓縮量產(chǎn)成本。但是其峰值功率低于EEL,需要配合更加靈敏的接收器件。固體激光器是閃光式車載激光雷達(dá)(Flash)技術(shù)路線的激光光源方案。用于FlashLiDAR的固體激光光源固體激光器需要很昂貴的激活介質(zhì)(各種復(fù)雜的晶體),在設(shè)計(jì)和工藝上具有很大的挑戰(zhàn),首先需要形成大角度視場(如125°x25°)均勻照射視場,這需要將固體激光MW級(jí)點(diǎn)光源通過特殊的光場勻化技術(shù)進(jìn)行勻化,在三維空間形成均勻照射大視場。其次,需要讓固體激光器滿足車規(guī)級(jí)高低溫、震動(dòng)、壽命等可靠性要求。光纖激光器與半導(dǎo)體激光器不同的地方主要在諧振腔。半導(dǎo)體激光器使用不同介質(zhì)的分界面作為反射面,從而形成諧振腔。而光纖激光器直接使用光纖作為諧振腔。大氣穿透能力強(qiáng),人眼安全性高,峰值功率可達(dá)上百甚至上千瓦,單色性好是激光光源的顯著特點(diǎn),但是激光雷達(dá)在光源及探測器成本、體積、溫度穩(wěn)定性以及供應(yīng)鏈成熟度上還有明顯的不足。其更新頻率約在10赫茲,但是汽車高速行駛狀態(tài)至少要達(dá)到25赫茲,影響成像的實(shí)時(shí)性。2.2.2.接收單元:EEL配合APD,VCSEL配合SPAD/SiPM使用激光雷達(dá)按照接收端可以分為雪崩光電二極管(APD)、單光子雪崩二極管(SPAD)和光電倍增管。其中,單光子雪崩二極管SPAD和雪崩光電二極管APD屬于同族的光電探測器,主要是利用光生載流子在高電場區(qū)內(nèi)的雪崩效應(yīng)而獲得光電增益,從而產(chǎn)生較大(大約100倍)的輸出電流。一般來說,在不超過反向擊穿電壓時(shí),反向電壓越高,增益就越大。光電倍增管SiPM是多個(gè)SPAD的集成器件。SPAD相對(duì)雪崩二極管(PAD),靈敏度和工作效率更高。APD和SPAD工作機(jī)制的差異,主要在于不同電場下的載流子行為不同。APD工作在擊穿電壓附近(<擊穿電壓),表現(xiàn)出有限的增益。SPAD工作在擊穿電壓以上,表現(xiàn)出無限的增益(理論增益為∞),可以實(shí)現(xiàn)單光子觸發(fā)。因此,SPAD具有比APD更高的靈敏度。激光強(qiáng)度更高的EEL可以配合APD使用,而VCSEL可以搭配更靈敏的SPAD?;赟PAD可以檢測到單個(gè)光子,因此可以做成光子計(jì)數(shù)器,集成了TDC的SPAD不需要再進(jìn)行點(diǎn)云處理,直接可以輸出深度圖像。APD相較SPAD受噪聲影響較小,性能更加穩(wěn)定。1)如果背景光噪聲較強(qiáng),SPAD會(huì)由于頻繁的誤觸發(fā)而處于一種“疲勞”的狀態(tài),點(diǎn)云噪點(diǎn)會(huì)明顯增多;2)高溫會(huì)進(jìn)一步影響SPAD的噪聲水平,在原有的暗計(jì)數(shù)、后脈沖效應(yīng)、串?dāng)_等不利因素的基礎(chǔ)上,加劇性能的惡化。因此,在夜晚等沒有太強(qiáng)背景光的場景下,高性能SPAD的表現(xiàn)優(yōu)于APD,但在太陽光強(qiáng)烈、極端溫度的環(huán)境下,現(xiàn)有SPAD的綜合表現(xiàn)卻是顯著低于APD的。集成后的SiPM可以有效應(yīng)對(duì)強(qiáng)光,但工藝尚不成熟。光電倍增管SiPM是多個(gè)SPAD的集成為一個(gè)像素,能夠產(chǎn)生強(qiáng)度效果,可以獲得更高的動(dòng)態(tài)范圍以應(yīng)對(duì)強(qiáng)光場景。但像素單元較大,較難做集成化,會(huì)導(dǎo)致芯片面積增大、工藝難度增加等問題。2.2.3.掃描單元:機(jī)械式+半固態(tài)較為成熟,純固態(tài)式前路可期掃描單元按照技術(shù)架構(gòu)可以分為整體旋轉(zhuǎn)的機(jī)械式激光雷達(dá)、收發(fā)模塊靜止的半固態(tài)激光雷達(dá)以及固態(tài)式激光雷達(dá)。其中,半固態(tài)激光雷達(dá)具有微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、轉(zhuǎn)鏡和棱鏡三種方案。固態(tài)激光雷達(dá)包括光學(xué)相控陣(OPA)和閃光激光雷達(dá)(FLASH)。2.2.3.1.機(jī)械式:FOV360°全覆蓋,技術(shù)相對(duì)成熟機(jī)械式激光雷達(dá)上車最早,至今市場份額占據(jù)最多。機(jī)械激光雷達(dá),是指其發(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)掃描并動(dòng)態(tài)接收信息的目的。在工作時(shí)豎直排列的激光發(fā)射器呈不同角度向外發(fā)射,實(shí)現(xiàn)垂直角度的覆蓋,同時(shí)在高速旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)殼體帶動(dòng)下,實(shí)現(xiàn)水平角度360度的全覆蓋。目前,國內(nèi)外主流廠商包括Velodyne、鐳神智能、速騰聚創(chuàng)等。結(jié)構(gòu)升級(jí)遭遇瓶頸,目前尚無車規(guī)級(jí)產(chǎn)品上市。機(jī)械是激光雷達(dá)的優(yōu)勢是可以實(shí)現(xiàn)360°的廣角探測范圍,而且探測精度也比較高,目前最高可以達(dá)到128線。但是其缺點(diǎn)也相對(duì)突出,機(jī)械激光雷達(dá)使用機(jī)械部件旋轉(zhuǎn)來改變發(fā)射角度,這樣導(dǎo)致體積過大,為激光器準(zhǔn)直的難度隨線數(shù)直線上升,且長時(shí)間使用電機(jī)損耗較大。此外為了實(shí)現(xiàn)360°的視野探測范圍,不得不將碩大的激光雷達(dá)放置在車頂,影響美觀。受限于高頻轉(zhuǎn)動(dòng)和復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu),機(jī)械式平均工作時(shí)長僅有1000-3000小時(shí),與車規(guī)級(jí)設(shè)備最低13000小時(shí)的要求相去甚遠(yuǎn)。此外,由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,成本壓縮空間也逐步縮小。目前16線激光雷達(dá)的售價(jià)約為2.6萬(Velodyne)/3萬(速騰聚創(chuàng))人民幣,32線激光雷達(dá)售價(jià)約為3萬(速騰聚創(chuàng))/13萬(鐳神智能)人民幣。2.2.3.2.MEMS:單振鏡實(shí)現(xiàn)小型化,未來主流方向之一微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)全稱MicroElectromechanicalSystem,是指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí),是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)?;贛EMS的微振鏡利用半導(dǎo)體工藝生產(chǎn),不需要機(jī)械式旋轉(zhuǎn)電機(jī),而是以電的方式來控制光束。其核心是一個(gè)微米尺度的振鏡,通過一個(gè)纖細(xì)的懸臂梁在橫縱兩軸高速周期震動(dòng),從而改變激光反射方向并實(shí)現(xiàn)掃描。MEMS已經(jīng)成為未來發(fā)展的重要方向,也是最有優(yōu)勢的細(xì)分領(lǐng)域之一。MEMS激光雷達(dá)由于僅有單個(gè)光源而大大減小了器件體積和功耗。其光路結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)動(dòng)部件減少,可靠性相較機(jī)械式激光雷達(dá)提升很多。同時(shí)減少了激光器和探測器數(shù)量,成本大幅降低。其壽命在10000至12000小時(shí)以上,可以通過車規(guī)級(jí)認(rèn)證。其缺點(diǎn)在于振鏡會(huì)造成產(chǎn)品的不穩(wěn)定性:支撐振鏡的懸臂梁角度有限,覆蓋面很小,所以需要多個(gè)雷達(dá)進(jìn)行共同拼接才能實(shí)現(xiàn)大視角覆蓋,這就會(huì)在每個(gè)激光雷達(dá)掃描的邊緣出現(xiàn)不均勻的畸變與重疊,不利于算法處理。另外,懸臂梁很細(xì),機(jī)械壽命也有待進(jìn)一步提升。2.2.3.3.轉(zhuǎn)鏡/棱鏡技術(shù):結(jié)構(gòu)簡單相對(duì)低功耗,壽命長可靠性高轉(zhuǎn)鏡激光雷達(dá)最早應(yīng)用于車規(guī)級(jí)產(chǎn)品,目前是最主流的半固態(tài)方案。轉(zhuǎn)鏡LiDAR由橫軸不斷旋轉(zhuǎn)的多邊形棱鏡和縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)的鏡子組成,通過橫軸棱鏡不斷旋轉(zhuǎn),使光源在目標(biāo)平面上不斷水平掃描,而縱軸擺鏡可以不斷改變光源的垂直方向。因此轉(zhuǎn)鏡激光雷達(dá)僅需一束光源就可以完成機(jī)械式幾十個(gè)光源才能完成的掃描任務(wù)。相對(duì)于機(jī)械式激光雷達(dá),其功耗較低,同時(shí)又具有滿足車規(guī)級(jí)要求的壽命與可靠性。但其由于需要極高的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率需要成百上千次的轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)機(jī)械部件的壽命構(gòu)成了威脅。其單個(gè)光源需要等效機(jī)械式雷達(dá)幾十線束的效果,也提高了光源自身的能量要求。棱鏡技術(shù)代表玩家為大疆覽沃。其原理為將兩個(gè)有斜面的柱狀鏡頭組合,可以利用光的折射控制激光的掃描方向,最終掃描出一個(gè)花瓣?duì)畹膮^(qū)域。調(diào)整兩個(gè)棱鏡的轉(zhuǎn)速就可以控制掃描的區(qū)域,其掃描路徑不會(huì)重復(fù),理論上如果掃描時(shí)間足夠久,棱鏡激光雷達(dá)可以掃描出前方每一個(gè)點(diǎn)的距離,具有高于其他技術(shù)路徑的視場覆蓋率和等效線數(shù)。例如小鵬P5的配備兩顆livox棱鏡式激光雷達(dá)HAP,探測距離達(dá)150m@10%,橫向120°FOV,具備等效144線的點(diǎn)云密度,角度分辨率高達(dá)0.16°,中心區(qū)域刷新率20Hz,可實(shí)現(xiàn)高速公路、城區(qū)道路等場景下遠(yuǎn)處障礙物的檢測,提升輔助駕駛行車安全。但是棱鏡技術(shù)點(diǎn)云分布中央密集,邊緣稀疏,且控制棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)難度較高。目前僅大疆覽沃實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。2.2.3.4.OPA:產(chǎn)品小型化,無需機(jī)械掃描光學(xué)相控陣原理類似干涉,通過改變發(fā)射陣列中每個(gè)單元的相位差,合成特定方向的光束。經(jīng)過這樣的控制,光束便可在固定位置即實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向進(jìn)行掃描。雷達(dá)精度可以做到毫米級(jí),且順應(yīng)了未來激光雷達(dá)固態(tài)化、小型化以及低成本化的趨勢,但難點(diǎn)在于如何把單位時(shí)間內(nèi)測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提高以及投入成本巨大等問題。目前真正投入使用的主要是美國的Quanergy公司。2.2.3.5.FLASH:類照相機(jī)模式,機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存FLASH閃光激光雷達(dá)原理類似照相機(jī),但感光元件與普通相機(jī)不同,每個(gè)像素點(diǎn)可以記錄光子飛行時(shí)間信息。通過在短時(shí)間內(nèi)直接向前方發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光,通過高度靈敏的接收器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境周圍圖像的繪制。其具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸壓縮空間較大和數(shù)據(jù)豐富的特點(diǎn),是目前純固態(tài)激光雷達(dá)最主流的技術(shù)方案。然而受限于需要在有限功率下發(fā)射大面積的激光,其不得不降低單位面積上激光的強(qiáng)度,勢必會(huì)影響到探測精度和探測距離。因此還無法完成全路況的輔助駕駛,僅在較低速的無人外賣車、無人物流車等領(lǐng)域應(yīng)用。代表品牌包括Ibeo、大陸、Ouster、法雷奧等。2.2.4.信息處理單元:集成化方向發(fā)展,SoC替代FPGA是行業(yè)趨勢激光雷達(dá)接收的信號(hào)需要在處理系統(tǒng)經(jīng)過放大處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換,經(jīng)由信息處理模塊計(jì)算,獲取目標(biāo)表面形態(tài)、物理屬性等特性,最終建立物體模型?,F(xiàn)階段主控芯片F(xiàn)PGA為行業(yè)主流,遠(yuǎn)期企業(yè)自研SoC有望逐步替代。目前FPGA主控芯片市占率較高,但隨著主流廠商對(duì)于性能及整體系統(tǒng)需求的提升,下一步的發(fā)展方向逐步向片上集成芯片(SoC)遷移。將探測器、前端電路、算法處理電路、激光脈沖控制等幾個(gè)不同模塊集成在一塊芯片內(nèi),能夠同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理,甚至直接輸出點(diǎn)云圖像。國內(nèi)外的SoC玩家主要包括禾賽科技、Mobileye、英特爾等。伴隨計(jì)算規(guī)模與存儲(chǔ)容量的增長,未來SoC將具備更高的集成度和更清晰的點(diǎn)云質(zhì)量,或?qū)⒅鸩酱嬷骺匦酒現(xiàn)PGA。3.從產(chǎn)業(yè)進(jìn)程看激光雷達(dá)3.1.下游需求:市場規(guī)模達(dá)百億美元,中國是最大市場之一下游需求刺激行業(yè)快速發(fā)展,激光雷達(dá)市場規(guī)模有望達(dá)百億美元。受益于無人駕駛、高級(jí)輔助駕駛(ADAS)和服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的需求,有望迎來高速增長期。據(jù)Velodyne預(yù)測,2022年智能駕駛將占總市場規(guī)模的60.5%,成為激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)最大的增長極,工業(yè)、無人機(jī)、機(jī)器人領(lǐng)域各占比24.4%、8.4%、4.2%。根據(jù)沙利文的統(tǒng)計(jì)及預(yù)測,受無人駕駛車隊(duì)規(guī)模擴(kuò)張、激光雷達(dá)在高級(jí)輔助駕駛中滲透率增加、以及服務(wù)型機(jī)器人及智能交通建設(shè)等領(lǐng)域需求的推動(dòng),激光雷達(dá)整體市場預(yù)計(jì)將呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢,至2025年全球市場規(guī)模有望達(dá)131.1億美元。中國是激光雷達(dá)未來的最大市場之一。根據(jù)麥肯錫的預(yù)測,中國將是全球最大的自動(dòng)駕駛市場,也是高級(jí)輔助駕駛領(lǐng)域全球最大的新車銷售市場。由于人口老齡化和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的影響,需要在減少人力支出的情況下增加生產(chǎn)效率,通過無人駕駛、高級(jí)輔助駕駛、服務(wù)型機(jī)器人通過機(jī)器自動(dòng)化工作來減少人力支出。3.1.1.智能駕駛市場:ADAS+ADS雙輪驅(qū)動(dòng),激光雷達(dá)為智能駕駛畫龍點(diǎn)睛高級(jí)輔助駕駛市場:成本不斷下降,商業(yè)化進(jìn)程有望提速。全球范圍內(nèi)L3級(jí)輔助駕駛量產(chǎn)車項(xiàng)目當(dāng)前處于快速開發(fā)之中。世界各地交通法規(guī)的修訂為L3級(jí)自動(dòng)駕駛技術(shù)商業(yè)化落地帶來機(jī)會(huì)。2020年6月聯(lián)合國的歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)通過《ALKS車道自動(dòng)保持系統(tǒng)條例》,這是全球范圍內(nèi)第一個(gè)針對(duì)L3級(jí)自動(dòng)駕駛具有約束力的國際法規(guī)。隨著激光雷達(dá)成本下探至數(shù)百美元區(qū)間且達(dá)到車規(guī)級(jí)要求,未來越來越多高級(jí)輔助駕駛量產(chǎn)項(xiàng)目將實(shí)現(xiàn)量產(chǎn);根據(jù)Forst&Sullivan的研究報(bào)告,2021-2026E、2026E-2020E全球乘用車新車市場ADAS車輛銷售CAGR有望達(dá)75.5%、30.5%,其中中國增速最高,分別為92.2%/29.3%。激光雷達(dá)在ADAS應(yīng)用:海內(nèi)外持續(xù)發(fā)展,2025年全球市場規(guī)模有望達(dá)6.2億美元。2020年10月,百度在北京全面開放無人駕駛出租車服務(wù),在13個(gè)城市部署總數(shù)測試車輛,并且與一汽紅旗合作實(shí)現(xiàn)了中國首條L4級(jí)自動(dòng)駕駛乘用車生產(chǎn)線建設(shè),具備批量生產(chǎn)能力。根據(jù)Forst&Sullivan研究估計(jì),2026年ADAS領(lǐng)域使用激光雷達(dá)
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對(duì)任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
- 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對(duì)自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 游戲案例主題課程設(shè)計(jì)
- 2024年園區(qū)教育培訓(xùn)租賃及心理咨詢服務(wù)合同3篇
- 現(xiàn)代檢測技術(shù)的課程設(shè)計(jì)
- 2020-2021學(xué)年廣東省廣州市天河區(qū)人教版小學(xué)一年級(jí)下冊數(shù)學(xué)期末試題及答案
- 2022-2023年浙江省杭州市臨安區(qū)六年級(jí)下冊期中語文試卷及答案
- 2021-2022年廣東省深圳市羅湖區(qū)六年級(jí)上冊期中數(shù)學(xué)試卷及答案(北師大版)
- 2024年度影視制作公司肖像權(quán)合作及版權(quán)交易合同3篇
- 電網(wǎng)規(guī)劃意義課程設(shè)計(jì)
- 人教版高中物理必修第三冊第十一章電路及其應(yīng)用11-1電流和電源練習(xí)含答案
- 人教版高中物理必修第三冊第九章靜電場及其應(yīng)用9-4靜電的防止與利用練習(xí)含答案
- 物業(yè)設(shè)備外委維修規(guī)定范本
- 施工項(xiàng)目農(nóng)民工工資支付無欠薪承諾書
- 設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)問題的把握控制及相應(yīng)措施
- 幼兒園教學(xué)活動(dòng) 幼兒園教學(xué)活動(dòng)概述 幼兒園教學(xué)活動(dòng)的特點(diǎn)
- 6.2.1向量的加法運(yùn)算 課件(共14張PPT)
- YY/T 1866-2023一次性使用無菌肛腸套扎器膠圈或彈力線式
- 海蒂(世界文學(xué)名著經(jīng)典)
- 變電站檢修規(guī)程完整
- 海南文昌2x460MW級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠
- 形式邏輯學(xué)全套課件
- 姜安《政治學(xué)概論》(第2版)筆記和典型題(含考研真題)詳解
評(píng)論
0/150
提交評(píng)論