汽车激光雷达时代或已来临

2020-04-03 14:00:21 来源: 半导体行业观察

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在汽车安全应用领域，雷达已不是最新技术，而声纳已被淘汰出局。如今，激光雷达（LiDAR）成为了遥感领域新宠，在自动驾驶汽车、智慧城市、安防监控、入侵探测和其它领域有着广阔的应用前景。

据麦姆斯咨询报道，今年1月，在美国内华达州拉斯维加斯举行的国际消费类电子产品展览会（CES 2020）上，激光雷达大放异彩，属于它的时代或已来临。

激光雷达制造商们的产品出现在机器人出租车、自动驾驶卡车、送货无人机、停车场、公共交通工具、交通信号灯和电线杆，在数千平方英尺的空间内展示出一座智慧城市的缩影。

激光雷达技术已为主流安全应用做好准备？

业界对激光雷达市场前景的预测表示乐观。根据Yole在《汽车和工业应用的激光雷达-2019版》报告中的预测，激光雷达市场将从2018年的13亿美元增长到2024年的60亿美元，其中汽车应用占据激光雷达市场的70%份额。据Grand View Research预测，全球激光雷达市场将从2018年的11亿美元飙升至2025年的29亿美元，复合年增长率（CAGR）将达到18%。而Inkwood Research对同一时期的CAGR预测更是高达23%，并指出“全球激光雷达市场增长的重要推动力是对更高安全性和更高精度的需求等。激光雷达在国土安全和国防领域发挥着重要作用，越来越多的应用都需要及时、精确的地理空间数据支持决策过程。”

激光雷达具有创建高分辨率3D图像的优势，这些图像可识别探测范围内所有物体的尺寸、方向和速度。相比传统视觉传感器，激光雷达可在任何光照条件下正常工作，且较难被“非法入侵”或“愚弄”，这是另一项极具吸引力的优势。

安全技术与系统集成开发商则持保守态度，认为激光雷达的发展不会如此迅速。尽管这项技术极具吸引力且价格已有所下降，但与其它可替代技术相比，激光雷达的高昂成本使其依然只适用于小众或对安全性要求很高的应用。以下是有关汽车激光雷达的发展对安全性应用影响的最新消息。

揭示各类激光雷达技术

激光雷达技术与雷达和声纳技术类似，通过发射光波，计算其返回所需时间并读取其中信息以识别物体的尺寸、轮廓以及它们随着时间变化的方向，这就是行业中常常提到的“飞行时间法”（Time-of-Flight, ToF）。然而，另一种源于汽车雷达技术的调频连续波（FMCW）激光雷达的解决方案也开始引起大家的关注。激光雷达使用激光脉冲，与雷达使用的无线电波和声纳使用的声波有所不同。

所有3D激光雷达技术都会创建3D点云，以构建如车辆、建筑物和行人等物体的形状与特征。它有几种不同的展现形式。

机械旋转式激光雷达。旋转式系统一直是激光雷达技术的主流表现形式，最具代表性的就是网联汽车车顶上的“全家桶”。据美国知名科技博客媒体Ars Technica报道，“Velodyne于2007年左右就推出了激光雷达，该装置将64颗激光器垂直堆叠，并以每秒多次的速度旋转整个激光雷达。Velodyne的这一举措开启了现代激光雷达产业的发展。”旋转式激光雷达虽然可以远距离探测广阔的视场范围，但体积笨重且成本高昂，运动部件还需要定期维护。

来自另一家旋转式激光雷达制造商Ouster的Damon Lavrinc称，尽管机械旋转式系统仍是"黄金标准"，但该技术已从使用宏观的运动部件演进为硅基芯片。他说：“我们把传统激光雷达公司使用的所有宏观可见的运动部件以微型芯片的形式完成。”摩尔定律也在激光雷达中充分体现，短短几年内，激光雷达的线束从16线束到32线束再到64线束，保持着成倍增长。“在CES 2020上，我们推出了128线束的高分辨率激光雷达。”Lavrinc补充道。

Postmates的自动送货机器人依赖于Ouster的激光雷达，该公司最近完成了6000万美元的股权和债务融资。去年年底，Postmates推出了第一代“自动漫游者”（即智能服务车）。该车辆使用摄像头和激光雷达实现人行道导航，并配备了后勤人员远程监控流动站，在有需要时进行实时控制。

总部位于加州森尼维尔的Quanergy也是一家旋转式激光雷达制造商。该公司首席营销官Enzo Signore称，尽管他们在高端应用领域的光学相控阵（OPA）激光雷达上进行了创新，但旋转式激光雷达M8依然适用于安全性应用。他表示，该产品具有360°的水平视场，每秒产生130万脉冲的点云数据。Signore表示，与Qortex机器学习软件配合使用，该解决方案旨在对行人和车辆进行分类，如在机场安检处统计人流量。Signore举例：一家制药公司准备在距仓库400米围栏设置安防措施，而雷达有干扰问题，运动传感器会受到大风天气影响，最后选择了激光雷达。“即使入侵者在70米以外，激光雷达也可以探测到入侵者，并分配一个身份ID，用户就可以随时追踪他。假如入侵者闯入禁区，如离电子开关太近，则可以直接用摄像机对准他。”

但是，旋转式激光雷达正在被固态激光雷达所取代，即基于芯片技术的解决方案，这种技术无需任何运动部件。开发商们正在对固态激光雷达进行研究，如微机电系统（MEMS）激光雷达、闪光（Flash）激光雷达和光学相控阵（OPA）激光雷达。

MEMS激光雷达。MEMS激光雷达中的光束操纵机构是一面可快速转动的MEMS反射镜，通过MEMS反射镜的转动实现对视场内物体的扫描探测。Luminar、AEye、Innoviz、速腾聚创、禾赛科技、镭神智能、一径科技和Blickfeld等MEMS激光雷达代表企业参加了CES 2020。MEMS激光雷达厂商指出，与机械旋转式激光雷达相比，MEMS激光雷达成本更低、磨损更少，但MEMS反射镜镜面尺寸较小，限制了MEMS激光雷达的视场范围。

MEMS激光雷达代表企业均表示会积极开发价格便宜的车规级产品（必须具备实时处理所有方向数据的功能），将有利于车规安全级激光雷达的发展，但现在还处于早期。AEye业务发展和战略计划副总裁Akram Benmbarek表示，他们的产品专注于实现远距离探测、扩大视场范围、提高分辨率。智慧城市移动市场规模很大，因此该公司取消了安全性应用的优先级战略发展规划。出于成本原因，Benmbarek表示，“现阶段最适用安全性应用的客户是需要保障基础设施安全的企业以及政府机构。它们因面临高风险，需要有效的防护措施和冗余的入侵探测。”

公司总部位于加州都柏林的AEye表示，他们的“Agile LiDAR”能够实现扫描、收集和处理数据智能化，探测范围超过300米，远远超出了其它大部分激光雷达的探测范围。Benmbarek声称，这项技术可以“动态调整扫描模式，在单帧中聚焦于‘目标区域’，使其探测物体的能力是仅使用激光雷达产品的10到20倍。”

AEye是一家汽车激光雷达公司，正在寻求安全合作伙伴。

Florian Petit博士是激光雷达公司Blickfeld的创始人之一，该公司总部位于德国慕尼黑，已经开发出一种特殊的MEMS反射镜，可以大幅扩大探测视场。Petit称，为自动驾驶汽车开发所获得的进步现已用于工业安全领域。客户已经使用这项技术进行周界防护和入侵探测。他说道：“我们可以探测入侵者的位置和移动范围，MEMS激光雷达可以沿着防护周界探测并识别入侵者的举动。”

MEMS反射镜实现快速转动，从而捕捉到探测视场中的物体。该技术由Blickfeld在CES上展出。

隐藏在指标背后的故事

纵观激光雷达产品的规格，极易眼花缭乱，对某反射率物体的探测距离、垂直和水平分辨率、每秒点数、激光波长、角度精度、光束发散角、视野范围等。要比较这些繁杂的参数信息存在较大难度。与所有安全设置一样，数据只有在对具体应用正确理解后才能发挥作用。

位于Palo Alto的Luminar发言人Erin Freeley提供了一种机械解决方案，该解决方案表示“使用非MEMS技术让一面较大的反射镜对准激光束并接收物体的反射光”。这有助于探测和识别250米以内的物体。尽管大多数激光雷达使用905 纳米激光（部分出于对人眼安全的考虑），但Luminar和AEye都使用1550纳米激光，这使激光雷达的探测距离更远或分辨率更高。

Flash激光雷达。根据德州仪器（TI）发布的《汽车激光雷达介绍》（An Introduction to Automotive LiDAR），Flash激光雷达的工作原理类似数码相机，使用闪光灯捕捉返回的反射光。该方法不易产生图像抖动，数据捕获速度更快。但是，德州仪器也指出了Flash激光雷达的两方面不足。首先，反射光会使激光雷达“致盲”。其次，全部照亮前方场景需要超强功率的光源，尤其是远距离探测时。由大陆汽车（Continental Automotive）和LeddarTech等制造商生产的Flash激光雷达正应用于自动驾驶汽车。

位于北卡罗来纳州达勒姆的Sense Photonics是个例外。该公司的业务发展总监Erin Bishop介绍称，Sense Photonics带来了针对工业应用的解决方案Sense One，该解决方案称可在室外40米的范围内对大型工作区域及其周边环境成像，垂直分辨率是其它激光雷达的7.5倍，垂直视野（75°）是其它激光雷达（30°）的2.5倍。

Sense Photonics的Sense One解决方案适用于工业应用，可在室外40米的范围内对大型工作区域及其周边环境成像，垂直分辨率是其它激光雷达的7.5倍，垂直视野（75°）是其它激光雷达（30°）的2.5倍。

OPA激光雷达。Ars Technica的解释是“OPA芯片集成了一排发射器，可以通过调整发射器间信号的相对相位来改变电磁波束的方向。”Quanergy是使用这种方法的少数几家公司之一，该公司刚刚推出了用于门禁控制和人流量计数的激光雷达S3-2。力策科技的OPA激光雷达采用“单一OPA发射+多通道OPA接收”，满足激光雷达对分辨率、刷新率和视场角（FOV）等各项参数的要求，预计在2020年6~7月输出激光雷达三维点云。

激光雷达成为主流应用尚需时日

安全技术与系统集成开发商和一些激光雷达制造商虽然对极力吹捧激光雷达的优势，但同时也表示激光雷达作为主流应用的成熟时机尚未到来。位于中国北京的一径科技的Tim Leckey承认：“摄像头、雷达和声纳的成本仍远低于激光雷达。”该公司致力于生产汽车MEMS激光雷达。Leckey表示：“一旦汽车激光雷达产量提高，价格就会随之降低。”来自Ouster的Lavrinc也认为，对汽车激光雷达的资金投入和研究将使其更轻巧、便宜，从而为安全性应用“带来和平利益”。

在对数十种激光雷达开展价格调查时发现，即便是在安全性应用中最便宜的型号，其价格也介于500至1000美元之间。具有卓越探测范围和分辨率的旋转式激光雷达，起售价约为3500美元，价格以此为分界点一路飙升。

“这种新兴技术除了在特殊应用领域外，还未被真正使用。”Safeguards Consulting总裁Mark Schreiber说道。来自Convergint Technologies的Darin Dillon也同意这一观点，他将激光雷达与雷达和其它入侵探测技术进行了比较，他表示激光雷达价格“非常昂贵”，“多数传感器的价格在1500至15000美元之间。”

激光雷达也有其真正显著的优势。Schreiber指出，激光雷达的主要优势在于“它为物理环境带来了其它传感器无法实现的高水准细节”，并将其与彩色视频和黑白视频进行了对比。激光雷达专家兼Visual Plan Security首席执行官Kelly Watt对激光雷达的前景持更为乐观的态度，他表示：“激光雷达价格的不断下降确实为安全性应用带来了机遇。”

Schreiber说，激光雷达非常适合入侵探测和监控应用。“用户可以明确知道任意时间点物体发生的移动或变化，如某个人何时进入了某个区域。如果部署合理，它可以为用户提供对人和物体的物理测量。”他说道，这项极具潜力的应用技术可以让人们与美术馆中的精美作品保持礼貌距离。

合作伙伴

Schreiber表示，正如很多公司已经行动的那样，成功的激光雷达公司将与洞悉市场需求的安全公司合作。Quanergy已与Milestone以及Genetec展开合作。总部位于加州圣何塞的激光雷达制造商Cepton与CNL Software联手，后者开发物理安全信息管理平台软件。Velodyne与迪拜、捷克共和国和韩国的安全合作伙伴合作。AEye和一径科技等汽车激光雷达公司也正在寻求安全合作伙伴。“用户不会专门为激光雷达去创建全新的系统。”Schreiber说道，激光雷达必须与合适的应用相匹配，并与其它技术有效集成。

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今天是《半导体行业观察》为您分享的第2268期内容，欢迎关注。

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