Teddy 写于2022/08/11

目录

一、激光雷达介绍（本期覆盖）

二、争论论证

三、市场展望

四、总结

 

 

激光雷达是利用激光作为信号波的一种探测装置。LiDAR（光探测和测距，Light detection and ranging）是激光雷达的简称，与普通雷达类似，激光雷达通过探测被物体弹回的信号波实现测量，不同的是其利用激光作为信号波。由于激光具有高亮度、高相干性以及良好的单色性和方向性，激光雷达常有测量准确、不易受扰等优势。

 

我们认为，激光雷达正在从0变1，将在汽车零部件领域贡献超级弹性。

 

一、激光雷达介绍

 

激光雷达结构

激光雷达分为四大部分，即发射模块、接收模块、扫描模块、控制模块。在激光雷达工作时，发射模块负责发射激光，扫描模块负责对特定区域进行扫描，接收模块探测回光，控制模块则对点云图进行处理，最终完成探测。

 

1、扫描模块

以扫描模块为尺度，激光雷达可分为机械式、半固态式和固态式。扫描的定义仅包含使激光改变方向的方法。

1）机械式

带有机械式转台，通过转动发射模块可以实现 360 度的水平测量角度。且机械式激光雷达扫描速度快，抗干扰能力强。但是机械式激光雷达依靠机械结构转动实现扫描，有物理磨损严重、成本高昂、体积笨重等缺点。为了绘制更精细的点云图，机械式激光雷达常配备多个发射和接收器，即常说的 16 线、32 线、64 线等。多线束激光雷达的角分辨率较优，可捕捉远处较小的物体。

虽然不够美观，但我们认为这更加适合第三方车辆使用，比如滴滴或者robotaxi。

 

2）半固态式

常见的半固态式激光雷达有 MEMS 振镜式、转镜式和棱镜式。

a、MEMS：MEMS 激光雷达（MEMS 即微机电系统，Micro-Electro-Mechanical

System

 

b、转镜式：激光雷达的转镜包括一维转镜和二维转镜。其中，二维转镜利用两个镜片分别横向和纵向转动，以扫描不同方向的激光。也有的厂商利用转镜+微振镜来达到类似的效果。

 

c、棱镜式：两块棱镜旋转可以使激光线束发生不同角度折射，通过控制两块棱镜转速便可控制扫描。

 

3）固态式

即没有机械振动结构，所有部件均固定。目前常见的有 OPA 和 Flash两种技术路径。

a、OPA

 

b、Flash

发射大面积的激光，并依靠高灵敏度探测器回收回光成像。Flash 激光雷达发射面积较大的激光点，难以保证功率密度，进而影响到探测距离。Flash 方案结构上较为简单，目前是固态激光雷达的主流方案。

 

 

扫描方式小结

1）我们所熟知的车载激光雷达现几乎都以半固态扫描方式为主

MEMS 方案玩家有 Innoviz、禾赛科技等；转镜方案主要玩家有华为、法雷奥、Luminar、Innovusion 等；棱镜方案是大疆 Livox览沃首创。

 

2）从汽车级应用看，固态式激光雷达是理想的选择，半固态式激光雷达是过渡产品，机械式则存在致命缺点。

长期看，固态式激光雷达不存在机械运动，使用寿命和体积的问题都可以解决，并且随着大规模量产，边际成本可以降到很低，尤其是固态激光雷达的 OPA 方案是车规级激光雷达的理想方案。半固态式激光雷达是机械式激光雷达和固态式激光雷达的折中，仍然存在少量机械运动，目前半固态式各方案（棱镜、转镜、MEMS）均已有车规级产品，逐渐实现上车。

 

2、发射模块

主要有三种激光发射模块：EEL（Edge emitting laser）、VCSEL（Vertical-cavity surface-emitting laser)、光纤激光器

 

1）EEL

边发射激光器（Edge emitting laser）在芯片两侧镀光学膜形成谐振腔，沿衬底平行面发射激光，具有较高的输出功率和电光效率。

 

2）VCSEL

垂直腔面发射激光器（Vertical-cavity surface-emitting laser)以砷化镓为基础研制，激光垂直于平面发射，这样的光腔取向易于实现二维平面列阵，从而使得性能大大提高

 

3）光纤激光器

光纤激光器：用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质，具有效率高、光束质量好、散热特性好、结构紧凑等优点。同时，光纤激光器可以工作在较长的波长区间（如1550nm，主要受掺杂材料控制）。但光纤激光器的成本较高，且承受瞬时功率较大时容易受损。

 

4）波长选择：905nm 和 1550nm

905nm：成本低，技术较为成熟。但探测距离较短，一般为 150m 左右。905nm接近可见光谱，可能聚焦在人的视网膜上，从而灼伤人眼，因此在功率上很难提升。但 905nm 的激光雷达在短距测量上基本满足需求，是当前市场的主流。
1550nm：需要使用 LnGaAs 等材料探测器，因此成本较高。1550nm 距离可见光谱较远，大部分在到达视网膜前会被晶状体吸收，对人眼安全阈值较高，因此发射功率容易提升，探测距离可达 250m 以上。1550nm 激光雷达是公认的安全选择，但是其成本和工程难度是阻碍普及的最大障碍。

 

发射模块小结

1）VCSEL 可以在阵列中实现，例如在 200 个 VCSEL的阵列中，如果有一个出现故障，系统仍有 199 个光源可以使用，因此获得更多发射器冗余，以允许软故障模式延长其使用寿命，因此 VCSEL不像基于单个或少数EEL的系统那样容易受到灾难性的光学损伤。

2）从发展趋势来看，未来会向更高电压和更低电流的 VCSEL 迁移。

 

3、接收模块

激光雷达接收端从 PD/APD 向 SPAD/SiPM 发展。光电探测器通过光电效应将光信号转化为电信号，实现信号探测的器件。

 

4、控制模块

控制模块主要为FPGA等芯片，这在我们之前芯片的报告中有所提及

FPGA 芯片通常被用作激光雷达的主控芯片。激光雷达的信息处理端需要对收到的信息进行处理计算最终建立立体模型。目前赛灵思提供了市面上绝大多数主控芯片。

 

芯片在这里将不多提及，但我们将主要聚焦对于距离的测量方法。

 

1）三角测距法

底层逻辑是相似三角形，由于利用几何关系来

实现探测目的，每次变化都需要光电器件读取出位置信息，故响应速度提升较为困难。

 

2）飞行时间法即 TOF（Time of Flight)，激光从发射器发出后经被测物体弹回再被接收，由于光速是确定的，因而激光飞行的时间差便包含了物体的位置信息。TOF 方法发展较为成熟，是目前车规级激光雷达的主流技术。

 

3）连续调频法FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)

将发射激光的光频进行调制，通过回波信号与参考光相干并利用混频探测技术可得到频率差，间接得到飞行时间从而算出目标物距离，若被测物体正在移动，则结合多普勒效应可测出物体的速度。FMCW 法具有很强的抗干扰性，但是由于技术难度高，目前在研居多。