激光雷達(dá)（LiDAR）是AI人工智能時(shí)代最具想象力的傳感器，LiDAR主動(dòng)探測(cè)，不受外界環(huán)境光影響，實(shí)時(shí)感知環(huán)境信息，獲得精確可靠三維數(shù)據(jù)，賦予機(jī)器人超越人類視覺的能力。

隨著人工智能時(shí)代的來臨，激光雷達(dá)被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛、機(jī)器人、安防監(jiān)控、無人機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、地圖測(cè)繪、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等高新科技領(lǐng)域。

根據(jù)沙利文的統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)，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(chǎng)預(yù)計(jì)將呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢(shì)，至 2025 年全球市場(chǎng)規(guī)模為 135.4 億美元，較 2019 年可實(shí)現(xiàn) 64.63%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率。

資料來源：沙利文研究

2020~2021年，這兩年激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了劃時(shí)代的時(shí)期。隨著激光雷達(dá)技術(shù)的落地成熟，激光雷達(dá)產(chǎn)品逐步被應(yīng)用到自動(dòng)駕駛中，激光雷達(dá)的量產(chǎn)上車幾乎已經(jīng)成為未來的確定項(xiàng)，國(guó)內(nèi)北汽極狐、小鵬、蔚來、上汽R汽車先后宣布將在即將量產(chǎn)的車型上搭載激光雷達(dá)，國(guó)外福特、寶馬、奔馳、本田、沃爾沃等整車廠也早早通過戰(zhàn)略投資、技術(shù)合作等方式布局車載激光雷達(dá)，下游應(yīng)用市場(chǎng)火熱。

資本市場(chǎng)也反映出了對(duì)這一趨勢(shì)的熱情，美股六大激光雷達(dá)公司Velodyne、Luminar、Ouster、Aeva、Innoviz、AEye通過SPAC（Special Purpose Acquisition Company，即特殊目的收購公司）方式上市，國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)公司禾賽科技、速騰聚創(chuàng)、圖達(dá)通、鐳神智能等完成不同程度的融資進(jìn)程，同樣備受資本關(guān)注。

激光雷達(dá)的“高光時(shí)刻”正在到來。

激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成

激光雷達(dá)上游主要包含激光發(fā)射、激光接收、掃描系統(tǒng)和信息處理四大部分，這四大部分中大量的光學(xué)和電子元器件，構(gòu)成了激光雷達(dá)的基礎(chǔ)。中游可分為車用激光雷達(dá)和物流運(yùn)輸激光雷達(dá)兩大類。

Yole預(yù)計(jì)，激光雷達(dá)應(yīng)用是目前汽車行業(yè)增長(zhǎng)最快的行業(yè)之一。從出貨量來看，Yole預(yù)計(jì)2030年全球激光雷達(dá)出貨量約2390萬個(gè)，市場(chǎng)前景廣闊。其下游應(yīng)用廣泛，主要可以分為無人駕駛行業(yè)、ADAS行業(yè)、服務(wù)機(jī)器人行業(yè)、車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)等。

圖來源：汽車人參考

激光雷達(dá)的工作原理

激光雷達(dá)由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng) 、信息處理三部分組成。激光雷達(dá)的工作原理是利用可見和近紅外光波（多為950 nm波段附近的紅外光）發(fā)射、反射和接收來探測(cè)物體。

激光光源作為激光雷達(dá)的核心部件之一，激光光源的選擇需綜合考慮實(shí)際應(yīng)用環(huán)境、激光雷達(dá)技術(shù)方案、性能需求以及成本需求，需要多種類型的激光光源來適應(yīng)不同的道路環(huán)境。

目前業(yè)內(nèi)主流采用905 nm和1550 nm兩種波長(zhǎng)，905 nm波長(zhǎng)適用的光電探測(cè)器比1550 nm的更便宜，但1550 nm對(duì)人眼安全閾值功率更高。其中，最常用的是InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱脈沖激光二極管(PLD, Pulsed laser diode)，波長(zhǎng)以905 nm最為流行。905 nm方案一般采用邊緣發(fā)光（EEL）技術(shù)或垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）技術(shù)。

激光雷達(dá)幾種主流技術(shù)路線

下面我們將從激光雷達(dá)幾大主要類別，簡(jiǎn)述激光雷達(dá)的技術(shù)路線及產(chǎn)業(yè)化格局，帶大家一起看看炙手可熱的 LiDAR“炸子雞們”走向何方。

激光雷達(dá)分類表（光電匯制）

1、測(cè)距原理

從測(cè)距方法的原理來分，目前主要有飛行時(shí)間法（TOF）、連續(xù)波型（FMCW）與三角測(cè)距法。

1）TOF

TOF通過脈沖方式發(fā)射的光子遇到反射物反射回來的時(shí)間計(jì)算與物體之間的距離，F(xiàn)MCW通過連續(xù)方式發(fā)射激光來達(dá)到同樣的效果，業(yè)內(nèi)主流的激光雷達(dá)企業(yè)技術(shù)原理的布局方向集中在飛行時(shí)間法上。ToF激光雷達(dá)可以提供非常高的激光發(fā)射頻率，與其它激光雷達(dá)系統(tǒng)相比，效率提高2~4倍。我們常見的產(chǎn)品多為脈沖ToF型，在硬件上由四部分構(gòu)成，分別是：激光發(fā)射、掃描器、反射光接收、數(shù)據(jù)處理。

2）FMCW

FMCW的激光雷達(dá)又分相位調(diào)變和頻率調(diào)變兩種，其中頻率調(diào)變即FMCW比較常見。FMCW 激光雷達(dá)發(fā)射調(diào)頻連續(xù)激光，通過回波信號(hào)與參考光進(jìn)行相干拍頻得到頻率差，從而間接獲得飛行時(shí)間反推目標(biāo)物距離，同時(shí)也能夠根據(jù)多普勒頻移信息直接測(cè)量目標(biāo)物的速度，其技術(shù)發(fā)展方向?yàn)槔霉杌怆娮蛹夹g(shù)實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)系統(tǒng)的芯片化。

目前已有的以TOF為技術(shù)路線的激光雷達(dá)公司數(shù)量眾多當(dāng)屬主流，但FMCW也以其優(yōu)勢(shì)備受期待，甚至被認(rèn)為是下一代激光雷達(dá)技術(shù)。從國(guó)外企業(yè)來看，目前以FMCW為技術(shù)路線，或?qū)MCW技術(shù)應(yīng)用到車載激光雷達(dá)領(lǐng)域的企業(yè)包括Insight、Aeva、Blackmore（被Aurora收購）、SiLC等，國(guó)內(nèi)蘇州摯感光子不久前也已完成了A輪融資，禾賽科技也在其招股書中表示公司也打算涉略FMCW 激光雷達(dá)芯片化解決方案。

3）三角法

三角法，入射光和反射光構(gòu)成一個(gè)三角形，對(duì)光斑位移的計(jì)算運(yùn)用了幾何三角定理，故該測(cè)量法稱為激光三角測(cè)距法，適合短距離測(cè)量，多用于單線二維激光雷達(dá)。思嵐科技的RPLIDAR A3三角測(cè)距激光雷達(dá)已能達(dá)到25米的測(cè)距范圍，突破了曾經(jīng)業(yè)內(nèi)曾認(rèn)為三角測(cè)距雷達(dá)因?yàn)樽陨碓黼y以突破20米以上的實(shí)用化測(cè)距。

2、掃描方式

根據(jù)光束操作的掃描方式分，包括機(jī)械式激光雷達(dá)、固態(tài)激光雷達(dá)（MEMS、OPA、Flash）。按照目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況來看，MEMS和Flash技術(shù)更受激光雷達(dá)廠商的青睞，有望逐步取代機(jī)械式激光雷達(dá)。

機(jī)械式激光雷達(dá)通過電機(jī)帶動(dòng)收發(fā)陣列進(jìn)行整體旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間水平360°視場(chǎng)范圍的掃描。測(cè)距能力在水平360°視場(chǎng)范圍內(nèi)保持一致。最早布局機(jī)械式激光雷達(dá)的是Velodyne公司，就是借此獲得先發(fā)優(yōu)勢(shì)的。

由于傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)在整車廠前裝量產(chǎn)環(huán)節(jié)難以滿足車規(guī)，固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)路線開始被重視，布局了新技術(shù)路線的企業(yè)開始得到整車廠的青睞，如國(guó)外的Luminar，國(guó)內(nèi)的速騰聚創(chuàng)、禾賽科技、圖達(dá)通以及覽沃科技均得到了主機(jī)廠的前裝定點(diǎn)項(xiàng)目。

Robosense供圖

1）MEMS

固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)中，第二代激光雷達(dá)的核心光束操縱元件為MEMS微振鏡，大大減少了激光雷達(dá)的尺寸， 減少激光器和探測(cè)器數(shù)量，極大地降低成本，具有高性能、穩(wěn)定可靠、易于生產(chǎn)制造等優(yōu)點(diǎn)，兼顧車規(guī)量產(chǎn)與高性能的需求。但同時(shí)存在激光功率較低、有效距離較短、擺動(dòng)角度相對(duì)較窄等技術(shù)難點(diǎn)。

近期，車規(guī)級(jí)MEMS激光雷達(dá)解決方案提供商一徑科技完成了億元B輪融資，而且更早布局MEMS激光雷達(dá)的速騰聚創(chuàng)已經(jīng)獲得包括北美車企在內(nèi)的多家車企定點(diǎn)訂單。MEMS的成熟，逐漸成為目前市場(chǎng)的主流。

2）FLASH

Flash激光雷達(dá)具有低時(shí)延、高分辨率顯著特點(diǎn)，特別適合于高速行駛路況下中遠(yuǎn)距離的激光雷達(dá)探測(cè)，是目前唯一的非掃描式激光雷達(dá)，能夠達(dá)到最高等級(jí)的車規(guī)要求，被視為最終的主流技術(shù)路線。但功率密度太低，導(dǎo)致其有效距離一般難以超過50米，分辨率也比較低。

Flash 激光雷達(dá)的激光發(fā)射端是 VCSEL 陣列，其功率密度遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)的激光二極管，致使產(chǎn)品性能太差，一旦突破這個(gè)瓶頸，F(xiàn)lash 激光雷達(dá)即可橫掃市場(chǎng)。目前市場(chǎng)公開報(bào)道能夠提供車規(guī)級(jí)固體激光光源的是西安炬光科技的AL01系列光源，可實(shí)現(xiàn)1064 nm/1.5 mJ/3 ns/單脈沖能量輸出，重復(fù)頻率30-50H。

3）OPA

OPA激光雷達(dá)無需任何機(jī)械部件就可可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的操縱，具有掃描速度快、精度高、可控性好、抗振性能好、體積小、量產(chǎn)一致性高、本更低等優(yōu)點(diǎn)，一度被業(yè)界看好。但易形成旁瓣效應(yīng)，光信號(hào)覆蓋有限、環(huán)境光干擾、測(cè)距較短，且加工難度較高。最近專注固態(tài) OPA 技術(shù)的國(guó)外激光雷達(dá)公司Quanergy 與中信資本收購公司（NYSE:CCAC）達(dá)成最終業(yè)務(wù)合并協(xié)議，合并完成后， Quanergy將成為上市公司。在此之前也曾不斷地修正產(chǎn)品的量產(chǎn)時(shí)間和最遠(yuǎn)測(cè)距范圍。

FMCW 激光雷達(dá)需要昂貴的飛秒級(jí)激光發(fā)生器，成本太高，目前技術(shù)成熟度不高，但隨著激光雷達(dá)朝固態(tài)發(fā)展，F(xiàn)MCW或?qū)愜娡黄稹?

3、探測(cè)器

按照探測(cè)器來分，有雪崩光電二極管APD、單光子雪崩二極管SPAD、硅光電培增管 SiPM以及單點(diǎn)/線陣/面陣。

APD為典型的光電轉(zhuǎn)換模塊，技術(shù)較為成熟。SPAD陣列效率比傳統(tǒng)APD高，可實(shí)現(xiàn)低激光功率下的遠(yuǎn)距離探測(cè)能力。目前，SiPM和SPAD正成為新興的激光雷達(dá)探測(cè)器。SiPM和 SPAD可探測(cè)距離超過200 m、5%的低反射率目標(biāo)，在明亮的陽光下也能工作，分辨率極佳，且盡可能小的光圈和固態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)集成到汽車中，并極具成本優(yōu)勢(shì)。

4、線束

根據(jù)雷達(dá)線束，可分為單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)。

多線激光雷達(dá)是由多個(gè)發(fā)射器和接收器組成，通過電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，獲得多條線束，線數(shù)越多物體表面輪廓越完善，所以處理的數(shù)據(jù)量越大，硬件要求更高。一般多線激光雷達(dá)設(shè)計(jì)為2的指數(shù)級(jí)，可分為4線、8線、16線、32線、64線和128線之分，不同的線束采集到的信息不同，對(duì)應(yīng)的工作場(chǎng)景也不同。

從技術(shù)路線上看，多線激光雷達(dá)主要有MEMS、flash面陣、OPA等不同流派，且不同技術(shù)路線的產(chǎn)品在可靠性、量產(chǎn)難度、成本、成熟度、工藝難度上均不同。自動(dòng)駕駛廣泛使用的激光雷達(dá)產(chǎn)品屬于車載多線成像激光雷達(dá)。

相較于多線激光雷達(dá)，單線激光雷達(dá)出現(xiàn)更早，技術(shù)也相對(duì)成熟，是服務(wù)機(jī)器人中不可或缺的重要傳感器，相較于圖像和超聲波測(cè)距，具有良好的指向性和高度聚焦性，是目前最可靠、穩(wěn)定的定位技術(shù)。單線激光雷達(dá)在角頻率及靈敏度上反應(yīng)更快捷，其掃描速度快、分辨率強(qiáng)、可靠性高。所以，在測(cè)試周圍障礙物的距離和精度上都更加精準(zhǔn)。

RoboSense(速騰聚創(chuàng))MEMS固態(tài)激光雷達(dá)實(shí)時(shí)高精度三維點(diǎn)云圖

目前，激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)還遠(yuǎn)未達(dá)到終局，技術(shù)路線的演進(jìn)會(huì)不斷改變產(chǎn)業(yè)的格局。當(dāng)下第一批即將搭載在主流量產(chǎn)車型上市的激光雷達(dá)基本是905 nm/1550 nm激光器+MEMS/雙軸轉(zhuǎn)鏡+InGaAs APD+ASIC技術(shù)路線。未來， Flash、OPA等全固態(tài)技術(shù)路線也在逐漸成熟，其產(chǎn)品也在邁向量產(chǎn)，又將推動(dòng)自動(dòng)駕駛商業(yè)化運(yùn)營(yíng)大規(guī)模普及。

RoboSense供圖：激光雷達(dá)室內(nèi)建圖，高精度三維模型