激光雷達（LiDAR）是AI人工智能時代最具想象力的傳感器，LiDAR主動探測，不受外界環(huán)境光影響，實時感知環(huán)境信息，獲得精確可靠三維數(shù)據(jù)，賦予機器人超越人類視覺的能力。
隨著人工智能時代的來臨，激光雷達被廣泛應用于自動駕駛、機器人、安防監(jiān)控、無人機、工業(yè)機器人、地圖測繪、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等高新科技領域。
根據(jù)沙利文的統(tǒng)計及預測，受無人駕駛車隊規(guī)模擴張、激光雷達在高級輔助駕駛中滲透率增加、以及服務型機器人及智能交通建設等領域需求的推動，激光雷達整體市場預計將呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢，至 2025 年全球市場規(guī)模為 135.4 億美元，較 2019 年可實現(xiàn) 64.63%的年均復合增長率。
資料來源：沙利文研究
2020~2021年，這兩年激光雷達產(chǎn)業(yè)進入了劃時代的時期。隨著激光雷達技術的落地成熟，激光雷達產(chǎn)品逐步被應用到自動駕駛中，激光雷達的量產(chǎn)上車幾乎已經(jīng)成為未來的確定項，國內北汽極狐、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，國外福特、寶馬、奔馳、本田、沃爾沃等整車廠也早早通過戰(zhàn)略投資、技術合作等方式布局車載激光雷達，下游應用市場火熱。
資本市場也反映出了對這一趨勢的熱情，美股六大激光雷達公司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，國內激光雷達公司禾賽科技、速騰聚創(chuàng)、圖達通、鐳神智能等完成不同程度的融資進程，同樣備受資本關注。
激光雷達的“高光時刻”正在到來。
激光雷達產(chǎn)業(yè)鏈構成
激光雷達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和電子元器件，構成了激光雷達的基礎。中游可分為車用激光雷達和物流運輸激光雷達兩大類。
Yole預計，激光雷達應用是目前汽車行業(yè)增長最快的行業(yè)之一。從出貨量來看，Yole預計2030年全球激光雷達出貨量約2390萬個，市場前景廣闊。其下游應用廣泛，主要可以分為無人駕駛行業(yè)、ADAS行業(yè)、服務機器人行業(yè)、車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)等。
圖來源：汽車人參考
激光雷達的工作原理
激光雷達由發(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、反射和接收來探測物體。
激光光源作為激光雷達的核心部件之一，激光光源的選擇需綜合考慮實際應用環(huán)境、激光雷達技術方案、性能需求以及成本需求，需要多種類型的激光光源來適應不同的道路環(huán)境。
目前業(yè)內主流采用905 nm和1550 nm兩種波長，905 nm波長適用的光電探測器比1550 nm的更便宜，但1550 nm對人眼安全閾值功率更高。其中，最常用的是InGaAs/GaAs應變量子阱脈沖激光二極管(PLD, Pulsed laser diode)，波長以905 nm最為流行。905 nm方案一般采用邊緣發(fā)光（EEL）技術或垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）技術。
激光雷達幾種主流技術路線
下面我們將從激光雷達幾大主要類別，簡述激光雷達的技術路線及產(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。
激光雷達分類表（光電匯制）
1、測距原理
從測距方法的原理來分，目前主要有飛行時間法（TOF）、連續(xù)波型（FMCW）與三角測距法。
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間計算與物體之間的距離，F(xiàn)MCW通過連續(xù)方式發(fā)射激光來達到同樣的效果，業(yè)內主流的激光雷達企業(yè)技術原理的布局方向集中在飛行時間法上。ToF激光雷達可以提供非常高的激光發(fā)射頻率，與其它激光雷達系統(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的激光雷達又分相位調變和頻率調變兩種，其中頻率調變即FMCW比較常見。FMCW 激光雷達發(fā)射調頻連續(xù)激光，通過回波信號與參考光進行相干拍頻得到頻率差，從而間接獲得飛行時間反推目標物距離，同時也能夠根據(jù)多普勒頻移信息直接測量目標物的速度，其技術發(fā)展方向為利用硅基光電子技術實現(xiàn)激光雷達系統(tǒng)的芯片化。
目前已有的以TOF為技術路線的激光雷達公司數(shù)量眾多當屬主流，但FMCW也以其優(yōu)勢備受期待，甚至被認為是下一代激光雷達技術。從國外企業(yè)來看，目前以FMCW為技術路線，或將FMCW技術應用到車載激光雷達領域的企業(yè)包括Insight、Aeva、Blackmore（被Aurora收購）、SiLC等，國內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 激光雷達芯片化解決方案。
3）三角法
三角法，入射光和反射光構成一個三角形，對光斑位移的計算運用了幾何三角定理，故該測量法稱為激光三角測距法，適合短距離測量，多用于單線二維激光雷達。思嵐科技的RPLIDAR A3三角測距激光雷達已能達到25米的測距范圍，突破了曾經(jīng)業(yè)內曾認為三角測距雷達因為自身原理難以突破20米以上的實用化測距。
2、掃描方式
根據(jù)光束操作的掃描方式分，包括機械式激光雷達、固態(tài)激光雷達（MEMS、OPA、Flash）。按照目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況來看，MEMS和Flash技術更受激光雷達廠商的青睞，有望逐步取代機械式激光雷達。
機械式激光雷達通過電機帶動收發(fā)陣列進行整體旋轉，實現(xiàn)對空間水平360°視場范圍的掃描。測距能力在水平360°視場范圍內保持一致。最早布局機械式激光雷達的是Velodyne公司，就是借此獲得先發(fā)優(yōu)勢的。
由于傳統(tǒng)機械式激光雷達在整車廠前裝量產(chǎn)環(huán)節(jié)難以滿足車規(guī)，固態(tài)激光雷達技術路線開始被重視，布局了新技術路線的企業(yè)開始得到整車廠的青睞，如國外的Luminar，國內的速騰聚創(chuàng)、禾賽科技、圖達通以及覽沃科技均得到了主機廠的前裝定點項目。
Robosense供圖
1）MEMS
固態(tài)激光雷達技術中，第二代激光雷達的核心光束操縱元件為MEMS微振鏡，大大減少了激光雷達的尺寸， 減少激光器和探測器數(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，兼顧車規(guī)量產(chǎn)與高性能的需求。但同時存在激光功率較低、有效距離較短、擺動角度相對較窄等技術難點。
近期，車規(guī)級MEMS激光雷達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激光雷達的速騰聚創(chuàng)已經(jīng)獲得包括北美車企在內的多家車企定點訂單。MEMS的成熟，逐漸成為目前市場的主流。
2）FLASH
Flash激光雷達具有低時延、高分辨率顯著特點，特別適合于高速行駛路況下中遠距離的激光雷達探測，是目前唯一的非掃描式激光雷達，能夠達到最高等級的車規(guī)要求，被視為最終的主流技術路線。但功率密度太低，導致其有效距離一般難以超過50米，分辨率也比較低。
Flash 激光雷達的激光發(fā)射端是 VCSEL 陣列，其功率密度遠不如傳統(tǒng)的激光二極管，致使產(chǎn)品性能太差，一旦突破這個瓶頸，F(xiàn)lash 激光雷達即可橫掃市場。目前市場公開報道能夠提供車規(guī)級固體激光光源的是西安炬光科技的AL01系列光源，可實現(xiàn)1064 nm/1.5 mJ/3 ns/單脈沖能量輸出，重復頻率30-50H。
3）OPA
OPA激光雷達無需任何機械部件就可可以實現(xiàn)對光束的操縱，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，一度被業(yè)界看好。但易形成旁瓣效應，光信號覆蓋有限、環(huán)境光干擾、測距較短，且加工難度較高。最近專注固態(tài) OPA 技術的國外激光雷達公司Quanergy 與中信資本收購公司（NYSE:CCAC）達成最終業(yè)務合并協(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)時間和最遠測距范圍。
FMCW 激光雷達需要昂貴的飛秒級激光發(fā)生器，成本太高，目前技術成熟度不高，但隨著激光雷達朝固態(tài)發(fā)展，F(xiàn)MCW或將異軍突起。
3、探測器
按照探測器來分，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/線陣/面陣。
APD為典型的光電轉換模塊，技術較為成熟。SPAD陣列效率比傳統(tǒng)APD高，可實現(xiàn)低激光功率下的遠距離探測能力。目前，SiPM和SPAD正成為新興的激光雷達探測器。SiPM和 SPAD可探測距離超過200 m、5%的低反射率目標，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)設計實現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)集成到汽車中，并極具成本優(yōu)勢。
4、線束
根據(jù)雷達線束，可分為單線激光雷達和多線激光雷達。
多線激光雷達是由多個發(fā)射器和接收器組成，通過電機的旋轉，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。一般多線激光雷達設計為2的指數(shù)級，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，對應的工作場景也不同。
從技術路線上看，多線激光雷達主要有MEMS、flash面陣、OPA等不同流派，且不同技術路線的產(chǎn)品在可靠性、量產(chǎn)難度、成本、成熟度、工藝難度上均不同。自動駕駛廣泛使用的激光雷達產(chǎn)品屬于車載多線成像激光雷達。
相較于多線激光雷達，單線激光雷達出現(xiàn)更早，技術也相對成熟，是服務機器人中不可或缺的重要傳感器，相較于圖像和超聲波測距，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。單線激光雷達在角頻率及靈敏度上反應更快捷，其掃描速度快、分辨率強、可靠性高。所以，在測試周圍障礙物的距離和精度上都更加精準。
RoboSense(速騰聚創(chuàng))MEMS固態(tài)激光雷達實時高精度三維點云圖
目前，激光雷達產(chǎn)業(yè)的競爭還遠未達到終局，技術路線的演進會不斷改變產(chǎn)業(yè)的格局。當下第一批即將搭載在主流量產(chǎn)車型上市的激光雷達基本是905 nm/1550 nm激光器+MEMS/雙軸轉鏡+InGaAs APD+ASIC技術路線。未來， Flash、OPA等全固態(tài)技術路線也在逐漸成熟，其產(chǎn)品也在邁向量產(chǎn)，又將推動自動駕駛商業(yè)化運營大規(guī)模普及。
RoboSense供圖：激光雷達室內建圖，高精度三維模型
