2022年激光雷达行业市场现状及未来趋势分析.docx
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1、2022年激光雷达行业市场现状及未来趋势分析1.激光雷达是实现自动驾驶的关键1.1.激光雷达:用光感知世界的传感器激光雷达(Lidar-LightDetectionandRanging)关键词是“光探测”和“测距”。激光雷达通过光探测距离生成数以千万计的数据点生成点云,为机器和计算机提供3D周围环境的准确展示和感知,让“看见”和“看清”赋能新一代汽车。优秀的车载激光雷达需要具备良好的测远能力、精度、高清晰度,高性价比和低功耗。具体来看,假设高速路段行驶速度为100km/h约合28m/s,一般情况下100km/h到0km/h制动需要3-4秒左右,所以高速刹车制动距离为100-150m。对于自动驾
2、驶主雷达,为了保证高速行驶安全,激光雷达探测距离需要在200-250m以上较为安全。拥有良好的测远能力意味着留给系统进行感知和决策的时间越长,安全性更好。拥有良好的角分辨率使探测器对探测目标物有好清晰度和识别能力。同时,低功耗在实际应用当中对安全有巨大帮助,更少电能消耗,意味着获得更多续航里程。Velodyne创始人DavidHall开创了激光雷达新纪元。回顾激光雷达发展历史,激光测距技术于1960年代出现,激光雷达最早在1970年代用于地形测绘和测深系统,为全球定位系统和导航系统的发展提高了准确性。2005年Velodyne创始人DavidHall发明了3D实时激光雷达,开创了激光雷达在无人
3、驾驶领域的新纪元。1.2.通常采用测距方式、扫描方式对激光雷达进行分类激光测距单元由激光源、光学镜头、光电探测器和信号处理器组成。激光发射器通过光学镜头发射激光,再由光电探测器系统将光转化为电信号,最后由信号处理单元计算并比较收到信号和发送信号的异同来获取环境信息。不同的测距原理会有不同的信号处理方法。激光雷达具有很高的产业附加值。激光雷达行业上游是光学及电子元器件;中游是不同类别的激光雷达;下游是车辆、智能制造、智慧城市等多场景、多行业应用。激光雷达主要包含发射、接收、信息处理三大模块。发射端的发射光学系统包括光束控制器、激励源、激光器;不同光源成本差距较大,发射端是激光雷达重要成本构成,占
4、30%-50%。接收端将光信号转换成电信号,主要有光电探测器以及处理芯片,最后放大信号并使用芯片进行处理。光束控制需要扫描系统,不同扫描方式会有不同结构设计。1.2.1.按测距方式分:TOF和FMCWTOF是目前最为成熟和广泛应用的测距方式,根据光反射回的时间测距离。具体来说是通过用脉冲激光照亮目标并测量反射返回信号的特性来工作。脉冲光的宽度范围可以从几纳秒到几微秒。TOF激光雷达主要部件有激光器、放大器、光电转换器等。TOF激光源目前有905nm和1550nm两种,通常情况下905nm探测距离为100-200m,由于靠近可见光对人眼有影响,因此难以通过加大功率增加探测距离,导致探测距离有限。
5、1550nm探测距离能达到250m,且有更好的安全性,但由于1550nm接收器需要采用铟镓砷光电探测器芯片,导致当前成本较高。FMCW(FrequencyModulatedContinuousWave)是一种对光进行调频,根据频率差得到物体距离的测距方式。接收器采用相干检测,可以获得更高的探测距离,抗干扰能力更强,并且能够直接检测物体的速度,并立即区分静止物体、相向和同向行驶。FMCW激光雷达主要有激光器、探测器、相干光路和扫描部件(通常为OPA)构成。FMCW光源一般采用1550nm窄线宽激光器。可以通过反射信号和发射信号的频率是否相同判断物体是否处于静止状态。对于逐渐靠近的物体,返回信号会
6、产生正向多普勒频移,对于逐渐远离的物体,返回信号会产生反向多普勒频移,导致频率发生上移或下移并由此区分物体移动方向。目前TOF为市场中最为成熟的激光雷达测距方式,也是商业化激光雷达应用最多的测距方式。通过监测激光发射与回波的时间差,基于光速和测量时间差计算目标距离。TOF的最大优势在于探测精确、性价比高、技术成熟、响应速度快。缺陷是需要算法抗干扰,并根据反射率判断是否为伪目标,所以对算法有较高的要求。FMCW可以根据多普勒效应判断目标移动方向,信息更丰富且对环境强光和其他激光具有很好的抗干扰性能。总体来看测距方式未来将从TOF逐渐向FMCW切换,且两种测距方式将会在不同场景中共存。1.2.2.
7、按扫描方式分:机械式、混合固态、固态激光雷达机械旋转激光雷达是最早的扫描方式,但由于零件多、寿命短、价格贵、体积大,不适用于量产车辆。机械式激光雷达收发光源、接收器以及扫描系统坐在圆盘底座上。随着外部电机的转动,收发架构会沿着这个圆盘进行转动,实现水平空间的360度扫描。优点是外部电机控制技术比较成熟且能够长时间保持稳定转速;缺点是体积大难以集成到车顶,且激光雷达价格仍然过高而不符合大规模自动驾驶场景的需求。2005年Velodyne创始人DavidHall发明了3D实时激光雷达,2007年率先实现量产,推出首款商用量产实时3D雷达,在早期获得多家无人驾驶公司的青睐。混合固态是当前激光雷达最主
8、流的结构,也是未来十年车规量产的最佳路线。混合固态系统包含固定光源以及动态扫描系统。相较于机械旋转激光雷达,半固态激光雷达尽管视场相对较窄,但具有结构更简单、成本更低的优势,适合作为前置主激光雷达量产上车。混合固态激光雷达的扫描方式可细分为单轴镜扫描、双轴镜扫描、MEMS以及棱镜扫描。目前从下游车载应用来看1550nm和双轴镜扫描方案在探测距离、精度和上车稳定性方面暂时领先;905nm的混合固态方案在量产、产业链成熟度和成本上暂时领先。转镜扫描结构有单轴镜和双轴镜,体积小于纯机械式,当前应用广泛。这种扫描架构的优点是收发系统固定在整个雷达模块里,旋转模块比较小,能够极大的减少体积,压缩成本。同
9、时由于重量较轻,电机轴承负荷小,使得运行更加稳定,寿命更长,更容易满足车规需求。波长方面同时存在905nm和1550nm技术路径。当下采用1550nm和双轴镜扫描方案的主要为Luminar和图达通,均为行业顶尖高性能激光雷达厂商,产品在10%理想散射的状态下具有250m探测距离以及优于0.1度角分辨率的超高性能。图达通高性能激光雷达已标配上车蔚来部分车型,目前已经交付了近2000辆。MEMS方案是用芯片级别的小镜子取代机械转轴。MEMS是芯片化的组件,摆脱了电机、镜面等机械组件,实现了毫米级的激光雷达尺寸,从而可以获得更低的成本和更高的集成度。但由于尺寸原因导致摆动角度和通光口径偏小,测距能力
10、有限且需要更多激光器拼接多个点云,对算法和稳定性均有较高要求。在车载方面,MEMS本身属于微振动敏感性器件,易受冲击、振动、温漂的影响,在长时间车载使用的过程种中会受到一定的挑战。棱镜扫描的代表企业是大疆LIVOX,适合低速高精场景。棱镜扫描采用2-3块棱镜控制激光雷达扫描非重复性的方向,典型特征是输出的图像中间会比周边的扫描密度大一些。在时间充裕下可扫描整个视场。棱镜主要优点是透光性较好,不需要太多激光器、收发器,能够降低成本。同时组件可以固定,可靠性更高。棱镜方案劣势在于中心和四周的扫描区域均匀性存在差异,且成像范围不一致会导致激光雷达在高速移动过程中出现成像不连续的情况,需要后期算法补偿
11、。基于以上特征,棱镜方案更适合扫描精度要求高、时效要求低的应用场景。固态激光雷达是激光雷达的发展方向,主要包括Flash激光雷达和OPA激光雷达。纯固态激光雷达在混合固态方案的基础上进一步简化机械结构,采用固定光源和固定探测模式,不需要扫描器件可以实现更低成本并且无需担忧电机稳定性。根据调研结果来看,目前纯固态激光雷达缺陷尚未完全解决,其中Flash激光雷达的缺点在于探测距离近;OPA激光雷达对材料要求比较苛刻,目前做出的产品也只能探测20-30m距离。Flash方案和照相机成像的原理非常类似。Flash方案的光路和架构都比较简单,收发对称,没有任何的扫描组件,成本更低、可靠性更高。缺点在于不
12、管是采用VCSEL还是EEL光源,发射后能量发散会导致测距能力下降。OPA激光雷达通常搭配FMCW测距方式,未来有望实现高稳定性、任意方向控制、低成本、平均功率几百毫瓦的超低功耗以及超过500m探测距离。OPA采用相干原理,在两个水波纹叠加后,如果满足半波长的整数倍,会形成相干相加或者相交的特性,可以利用这种特性控制波数的时间差从而控制扫描方向。这种方案的主要优点在于集中度很高,并且波长和方向优势带来更高信噪比,体积更小,更适合车规级需求。OPA方案的难点是插入损耗和旁瓣问题。具体来看是因为同一束光产生干涉,在相邻的几束光满足条件后很容易形成旁瓣,会有多余的能量分掉探测主能量,影响测距能力。纯
13、固态激光雷达部分技术和光通讯类似,目前在通讯行业中III-V族半导体技术占主流,硅光芯片仍处于上升阶段,硅光技术有待突破。从扫描方式来看激光雷达从机械式逐渐向纯固态演进。通过零件更少的架构和更先进的测距方式获得更强的稳定性、更长的寿命、更远的探测距离、更高的探测精度以及更低的成本。目前已有量产车型的激光雷达多采用混合固态结构,短期来看未来5-8年混合固态激光雷达将成为主流解决方案,单个混合固态激光雷达量产后价格有望降至500美元以内;长期来看固态激光雷达在获得硅光技术突破后值得期待。1.2.3.激光收发系统:不同路径下产业链构成不同从发射端激光器来看,可分为垂直腔面发射激光器VCSEL、边缘发
14、射激光器EEL、固体激光器和光纤激光器。具体来说,垂直腔面发射激光器VCSEL是一种以半导体为基础的激光二极管,从其顶面垂直发射高效光束,而边缘发射激光器EEL是从侧面发射光束。由于VCSEL有更高的效率和更窄的带宽,也因此有更高的信噪比。VCSEL积极用于替代LED以进行车内感应,可以用于盲点检测、车道偏离和追尾警告需要中短程激光雷达。同时由于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LED或EEL的系统那样容易受到灾难性的光学损伤。从
15、发展趋势来看,未来会向更高电压和更低电流的VCSEL迁移,同时需要严格的封装技术以降低电感应。固体激光器常用于Flash固态激光雷达,具有信噪比极好、可调功率、窄线宽、高灵敏的特点。光纤激光器采用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器,可在光纤放大器的基础上开发出来。通常在1550nm技术方案中会采用光纤激光器,有高效率、低功耗、光束质量好的优势,Luminar是采用此方案的代表厂商。从发射端波长选择来看,905nm是目前市场上采用最多的方案,1550nm波长则是性能最佳的方案。905nm主要优势在于安全、功耗和组件供应链技术成熟,最适合自动驾驶汽车和ADAS系统的工程、开发和生产需求。由于眼
16、可见光波长在380-780nm之间,905nm激光雷达出于对人眼保护需要保持低功率运行,所以探测距离提升有上限并且会受到环境光照的影响。1550nm主要优势在于远离可见光,对人眼安全,故可以通过提升发射功率以获得更强性能,在应用中实现更远的探测距离、更加精细的物体障碍识别,作为无人驾驶的主激光雷达有显著优势。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。从探测器原理来看,高增益探测器的主要优势是抗干扰和不确定性能力很强,所以未来逐渐从具有100倍增益的APD向具有100万倍增益的SPAD和SiPM发展,能获得更稳定、灵敏的
17、探测精度和更远的探测距离,并进一步实现芯片化一体化。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。由于在算法方面还需要迭代,目前计算端将部分功能集成到ASIC,再集成FPGA配套。未来随着技术不断迭代,激光雷达有望通过芯片集成逐步替代FPGA,接收端芯片化也是行业共识。1.3.激光雷达是是实现自动驾驶的关键1.3.1.激光雷达属于自动驾驶感知端自动驾驶由感知、预测、规划、控制四大关键部分组成。首先通过各类传感器获得相机图像、激光雷达点云等周围原始数据,得到车道、可驾驶区域、运动物体和交通信号等
18、信息,之后预测移动障碍物的意图和轨迹,并根据获得的信息优化车辆的路线和行动,最后控制车辆完成加速、减速、转向等动作来跟随规划路径。激光雷达在自动驾驶中属于感知部分的重要信息输入来源。1.3.2.激光雷达让辅助驾驶迈向自动驾驶自动驾驶按照车辆自动化程度分为6个等级,L3级之后在使用自动驾驶功能时驾驶员无需驾驶汽车。具体来说,在L3以后的驾驶决策由汽车来制定和执行动作。SAE和中国汽车驾驶自动化分级均把L3级别作为辅助驾驶和自动驾驶分水岭。自动驾驶是通过车载感知系统感知道路及交通参与者的信息,由系统自动规划行车路线并控制车辆到达预定目的地的驾驶技术,在车辆行驶过程中不需要驾驶员的参与。目前较为普及
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