自動駕駛的「眼睛」——雷射雷達

近年來，各國政府對自動駕駛產業發展高度重視，紛紛推動自動駕駛法律的制定與完善，並發布了一系列政策予以支撐。我國也相繼頒布了多項重磅政策措施，有力推動了自動駕駛汽車產業的快速發展。

2015年，國務院印發了《中國製造2025》，明確指出到2020年要掌握智能輔助駕駛總體技術及各項關鍵技術，到2025年要掌握自動駕駛總體技術及各項關鍵技術。

為提升智能網聯汽車發展水準，搶佔戰略新興產業制高點，深圳市2018年陸續發布了《深圳市關於貫徹落實智能網聯汽車道路測試管理規範（試行）的實施意見》、《深圳市智能網聯汽車道路測試開放道路技術要求》。

2019年3月，深圳智能網聯交通測試示範區正式啟用，為智能駕駛、智能無人機、無人船等提供全方位、多場景的智能網聯交通測試平台。

汽車要實現自動駕駛，實時感知外部環境的能力是必不可少的。雷射雷達作為自動駕駛汽車的「眼睛」，其技術先進性某種程度上代表著自動駕駛行業的發展水準。今天，小智為大家介紹自動駕駛領域雷射雷達的發展情況。

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什麼是雷射雷達？

人靠眼睛看路，自動駕駛汽車也是，雷射雷達就是自動駕駛汽車的「眼睛」。伴隨自動駕駛的落地，主要用於三維掃描的雷射雷達成為自動駕駛汽車的「標配」，甚至決定著自動駕駛行業的進化水準。

1.雷射雷達不可取代

雷射雷達是一種採用非接觸雷射測距技術的掃描式感測器，其工作原理與一般的雷達系統類似，通過發射雷射光束來探測目標，並通過搜集反射回來的光束來形成點雲和獲取數據，這些數據經光電處理後可生成為精確的三維立體圖像。

採用這項技術，可以準確的獲取高精度的物理空間環境信息，測距精度可達厘米級，這使得雷射雷達成為汽車自動駕駛、無人駕駛、定位導航、空間測繪、安保安防等領域最為核心的感測器設備。

2.雷射雷達有哪些種類

從技術原理來看，雷射雷達的類型主要有兩種：

①旋轉式雷射雷達

旋轉式雷射雷達又稱機械式雷射雷達，通過多束雷射豎列而排，繞軸進行360°旋轉，每一束雷射掃描一個平面，縱向疊加後呈現出三維立體圖形。

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旋轉式雷射雷達基本原理

安裝在無人車車頂的雷射雷達，雷射線束一般不小於16，常見的有16、32、62線雷射雷達，線束越高，可掃描的平面越多，獲取目標的信息也就越詳細，線束低的雷射雷達由於點雲密度較低，容易帶來解析度不高的問題。

美國矽谷Velodyne多線束雷射雷達

②固態雷射雷達

固態雷射雷達摒棄了旋轉式機械結構，按實現方式通常分為三種，即基於相控陣、Flash、MEMS。

(1)基於相控陣原理的固態雷射雷達

運用相乾原理（類似的是兩圈水波相互疊加後，有的方向會相互抵消，有的會相互增強），採用多個光源組成陣列，通過控制各光源發光時間差，合成具有特定方向的主光束。然後再加以控制，主光束便可實現對不同方向的掃描。

光學相控陣一般都是通過電信號對其相位進行嚴格的控制實現光束指向掃描，因此也可以稱為電子掃描技術。但易形成旁瓣，影響光束作用距離和角解析度，同時生產難度高。

光控相控陣掃描基本原理示意

(2)基於3D Flash技術的固態雷射雷達

Flash原意為快閃，Flash固態雷射雷達的原理也是快閃，在短時間發射出一大片覆蓋探測區域的雷射（即面陣光），再以高度靈敏的接收器，來完成對環境周圍圖像的繪製。

某種意義上，有些類似於黑夜中的照相機，光源由自己主動發出。雖然穩定性和成本不錯，但問題在於探測距離較小，在技術的可靠性方面仍有待突破。

Flash（閃光）雷射雷達基本原理

(3)基於MEMS的固態雷射雷達

在矽基晶元上集成體積十分精巧的微振鏡，由可以旋轉的微振鏡來反射雷射器的光線，改變單個發射器的發射角度從而實現掃描，由此形成一種面陣的掃描視野。

MEMS微振鏡的掃描角度是由控制電路調節的，保證角度精度是主要的技術難點。目前基於MEMS方式的雷射雷達，國內外有很多的廠家在研發，如法國Valeo，國內禾賽光電及速騰聚創等。MEMS相對於前兩者，技術上更容易實現。

MEMS固態雷射雷達原理示意

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MEMS固態雷射雷達技術優勢

1.MEMS微振鏡商業化應用成熟

MEMS固態雷射雷達的核心部件是MEMS微振鏡，其技術應用已經比較成熟。早在在1996年，德州儀器（TI）就將靜電驅動的MEMS微振鏡在投影顯示領域成功實現了商業化應用。

此外，在3D攝影頭、條碼掃描、雷射印表機、醫療成像、光通訊等領域，MEMS微振鏡也有成熟的應用。而光學相控陣雷射雷達和閃光（Flash）雷射雷達由於受晶元成熟度不足等各種問題的牽製，離落地還有一段較長的路要走。

2.便於自動化量產，成本極具優勢

傳統的機械式雷射雷達要實現多少線束，就需要多少組發射模塊與接收模塊，包括跨阻放大器（TIA）、低雜訊放大器（LNA）、比較器（Comparator）、模數轉換器（ADC）等，對裝配要求非常高，量產出貨效率堪憂。

而採用二維MEMS微振鏡，僅需要一束雷射光源，通過一面MEMS微振鏡來反射雷射器的光束，內部組件實現晶元化，有利於自動化量產。傳統機械式雷達售價高達數萬美金，如此高昂的價格很難在自動駕駛推廣應用，而MEMS固態雷射雷達成本可控制在數百美金，降低近百倍。

Velodyne多線束雷射雷達參數

3.體積小，便於系統化集成

MEMS微振鏡幫助雷射雷達擺脫了笨重的馬達、多稜鏡等機械運動裝置，毫米級尺寸的微振鏡大大減少了雷射雷達的尺寸和重量，提高了車載系統集成的可操作性。

此外，機械式雷射雷達由於光學結構固定，適配不同車輛往往需要精密調節其位置和角度，固態雷射雷達可以通過軟體進行調節，大大降低了標定的難度，加快掃描速度快與精度。

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自動駕駛領域雷射雷達技術現狀

1.自動駕駛技術等級

自動駕駛的級別分為五個等級：

Level 0：No Automation（無自動化）;

Level 1：Driver Assistance（駕駛員輔助）;

Level 2：Partial Automation（部分自動化）;

Level 3：Conditional Automation（有條件自動駕駛）;

Level 4：High Automation（高度自動駕駛）;

Level 5：Full Automation（完全自動駕駛）.

全球第一款具備真正意義上的自動駕駛能力的量產車——全新奧迪A8在2017年7月發布上市，奧迪儘管已經走在了行業最前沿，但目前實現的還是3級的自動駕駛，也就是說這是一種在限定環境條件下，需要駕駛員始終有接管能力的自動駕駛，距離無限條件無需接管的全自動駕駛還有相當長的路要走。

而真正車規級的雷射雷達只有一款，那就是來自法雷奧的機械式雷射雷達SCALA，已經配置於Level 3自動駕駛車奧迪A8。

2.國外主要雷射雷達廠商

國外在雷射雷達領域的研究起步較早，早在上個世紀50年代，美國就開始了對自主駕駛、無人駕駛以及車載雷射雷達的研究，並在80年代得到迅速發展，達到世界領先水準。

為了促進自主駕駛的發展，美國國防部還專門制定了DAPAR計劃，並在90年代提出了DEMO計劃，研究雷射雷達、立體紅外相機、寬頻高頻樹葉穿透雷達、毫米波調頻連續波雷達等多種感測器。

在自動駕駛領域，業內人士都知道Velodyne 64線「大花盆」，它是自動駕駛的寵兒，HDL-32線、VLP-16線雷射雷達也是原型車上的熱門雷射雷達。

Velodyne、Quanergy、Waymo三家美國廠商基本囊括了無人駕駛領域主流汽車開發商的供應埠，某種程度上，這三家企業的技術進展，可作為整個行業的技術進展來參考。國外在無人駕駛雷射雷達擁有領先技術的企業匯總如下。

國外主要雷射雷達公司產品概況

3.國內主要雷射雷達廠商

國內雷射雷達起步較晚，從事三維成像雷射雷達研究的部門主要有哈爾濱工業大學、華中科技大學、浙江大學、天津大學、電子科技大學、北京大學、電子部27所、航天部8358所等。

雖然國內在相關方面的研究已經有一定的成績，但無論是測量精度、效率、實時性，還是數據處理等都與國外存在較大差距。

近幾年，隨著自動駕駛技術研發和各類機器人技術升級需求爆發，湧現出了一批優秀的創業公司，如禾賽、速騰聚創、思嵐科技等，在一維和二維市場基本上已經實現了技術的國產替代。大部分企業逐漸擁有了成熟且穩定的產品，甚至有少數企業在高線束3D雷射雷達的研發上，技術參數水準直追歐美。

國內主要雷射雷達公司產品概況

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MEMS雷射雷達發展趨勢分析

1.自動駕駛汽車發展需求強勁

Yole在最新出版的《汽車和工業應用的雷射雷達-2019版》中預計，到2021年自動駕駛汽車的總量將達到44000輛。與此同時，雷射雷達市場也因此受益，預計將從2018年的13億美元增長到2024年的60億美元。其中，汽車應用佔據雷射雷達市場的70%份額。

2018-2024年雷射雷達應用市場預測

按照自動駕駛L1—L5的等級劃分，L3及以下屬輔助駕駛或低級別自動駕駛，L4、L5才算得上高級別自動駕駛甚至無人駕駛。目前的自動駕駛都處於L3以下階段，毫米波雷達甚至攝影頭都能夠滿足汽車的視覺需求，特斯拉就應用了前者。

但要想發展到高級別自動駕駛階段，受測距、解析度、精度、信息全面性的影響，雷射雷達不可替代。

2.MEMS固態雷射雷達是未來技術趨勢

在從機械式雷射雷達向固態雷射雷達的演變過程中，一些企業選擇直接進入全固態雷射雷達，也有許多企業深耕於混合固態技術路線——MEMS雷射雷達。

根據Yole最新發布的《汽車和工業應用的雷射雷達-2019版》報告中顯示：MEMS和Flash技術路線更受到雷射雷達製造商的青睞。

固態雷射雷達採用連續掃描方式，其垂直和水準角解析度在低幀率（比如5Hz）下可以做到0.03°（Velodyne 128線雷達是0.11°），生成「圖像級」的效果，是機械雷達無法比擬的。加上MEMS工藝的集成化、低成本、高產效，MEMS固態雷射雷達將是傳統機械式雷射雷達的革新者，將引領雷射雷達的小型化和低成本化。

3.MEMS固態雷射雷達的普及，車規取證是關鍵

一款車規級的、符合量產的MEMS固態雷射雷達應該滿足如下條件：

①符合車規級的設計、生產流程及質量要求；

②工作溫度上，比如一般車規級產品的工作溫度要達到-40°C到80°C以上；

③產品質量上，一般產品需能在所有環境下達到10到15年的壽命；

④自動駕駛車輛所用的感測器產品，功能安全性一定要能達到ASIL-B級別甚至更高水準。

固態雷達沒有旋轉部件，看似更容易過車規，但全世界迄今唯一過車規的雷射雷達，僅有法國Valeo的一款機械旋轉的雷達。

固態雷達的掃描器件往往是一個不成熟的全新零件，會面臨更多的量產工藝和可靠性的問題，在成熟的供應商出現之前，這個核心部件可靠性的問題是很多固態雷達公司一道無法逾越的鴻溝。「不穩定」，「無法量產」是目前固態雷達公司的普遍狀態。

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未來展望

目前車載雷射雷達的主流仍然是機械式雷射雷達，但從長遠而言，它終究難以滿足自動駕駛普及提出的大規模、低成本、車規級需求。雷射雷達遲遲沒有在汽車領域大規模應用，原因顯然是幾萬美元的價格太貴了。

此外，機器人、AVG小車、空間測繪和無人機等領域對環境感知能力的技術升級需求將進一步推動輕小型固態雷射雷達發展。可以預見的是，未來雷射雷達將朝著固態化、小型化、量產化的趨勢發展，並且達到高可靠性和低成本。

從這個趨勢來看，不管用什麼技術路徑，要實現雷射雷達的產業化，都必須滿足高可靠性、低成本、高精度、高解析度等條件。

MEMS固態雷射雷達開發對比其他固態雷射雷達方案，最大的優點就是落地快，微鏡技術相對成熟而且可以跟不同的供應商採購。此外，這種技術振蕩的幅度很小，頻率也很高，足以防止MEMS振鏡與汽車之間的機械振動。

由於MEMS固態雷射雷達產業鏈較為完整成熟，技術可行性較高，是目前固態雷射雷達最被看好的發展路徑。

在這條槍聲剛剛打響的賽道上，我市應抓住歷史機遇，快人一步，搶佔先機，贏得未來！