LiDAR用于自動(dòng)駕駛的汽車(chē)外部環(huán)境感知，最早將在2021年出現(xiàn)在量產(chǎn)車(chē)型上。寶馬預(yù)計(jì)將在2021年秋季上市車(chē)型上采用以色列LiDAR制造商Innoviz Technologies生產(chǎn)的第二代激光雷達(dá)產(chǎn)品。該產(chǎn)品于2019年夏季開(kāi)始交付樣品，目前計(jì)劃于2020年正式量產(chǎn)。

同樣美國(guó)的激光雷達(dá)制造商Quanergy Systems也在2018年宣布，其產(chǎn)品將從2021年開(kāi)始搭載于量產(chǎn)車(chē)型。先鋒電子也表示，其LiDAR將在2020年之后安裝在當(dāng)?shù)氐拇┧蟀褪亢推渌厥庥猛拒?chē)輛上。

“機(jī)械式vs 非機(jī)械式”的競(jìng)技

上述三家公司所提供的LiDAR都是“機(jī)械式的”（圖1）。與自2012年以來(lái)Waymo安裝在自動(dòng)駕駛測(cè)試車(chē)輛車(chē)頂上的圓柱形“機(jī)械式”相比已大幅降低了成本。Waymo使用的機(jī)械式產(chǎn)品由美國(guó)Velodyne 公司提供，價(jià)格最貴的型號(hào)達(dá)到了約7萬(wàn)美元，只能是作為實(shí)驗(yàn)室階段采用。

圖1： 用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的LiDAR發(fā)展路徑

圖片顯示了LiDAR在自動(dòng)駕駛汽車(chē)發(fā)展過(guò)程中的使用狀況。 Waymo從2012年開(kāi)始已經(jīng)在公共道路上測(cè)試的試驗(yàn)車(chē)型上采用“機(jī)械式”產(chǎn)品，旨在替代單車(chē)成本接近1000萬(wàn)日元的第一代“非機(jī)械式”LiDAR產(chǎn)品提案出現(xiàn)在2010年代后期。 主要是對(duì)激光束掃描方法進(jìn)行了改進(jìn)，其中一部分產(chǎn)品將在2020年代初期搭載在量產(chǎn)車(chē)型中。 為了將LiDAR的測(cè)距范圍擴(kuò)展到200 m以上，過(guò)去2~3年內(nèi)提出的技術(shù)一直在改進(jìn)波長(zhǎng)和測(cè)距方法，這些技術(shù)預(yù)計(jì)將在2020年代后期開(kāi)始用于量產(chǎn)車(chē)型。 （ 右圖為Innoviz距離圖像，Blackmore激光光源，Pioneer MEMS掃描圖像，Velodyne機(jī)械產(chǎn)品）

另一方面， 非機(jī)械式激光雷達(dá)也將在2021年搭載于量產(chǎn)車(chē)型之上，通過(guò)非旋轉(zhuǎn)元器件或MEMS系統(tǒng)替換用于掃描近紅外激光的掃描機(jī)構(gòu)，從而降低成本。 預(yù)計(jì)量產(chǎn)價(jià)格在1000美元左右。雖然與Velodyne的實(shí)驗(yàn)規(guī)格不完全相同，但基本可以滿(mǎn)足汽車(chē)制造商的要求，同時(shí)價(jià)格大幅下降，預(yù)計(jì)2年內(nèi)這些車(chē)載激光雷達(dá)將投放市場(chǎng)。

未來(lái)，非機(jī)械型LiDar由于其成本競(jìng)爭(zhēng)力和高可靠性，極有可能淘汰機(jī)械類(lèi)產(chǎn)品。 以機(jī)械類(lèi)產(chǎn)品著稱(chēng)的Velodyne據(jù)說(shuō)也已完成非機(jī)械型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)?？吹竭@里，旁觀者已經(jīng)看到基本是非機(jī)械型產(chǎn)品贏得競(jìng)爭(zhēng)，而接下來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)就是性能的競(jìng)爭(zhēng)了。如果將與機(jī)械型產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的非機(jī)械型稱(chēng)為“第一代”產(chǎn)品，則與非機(jī)械型競(jìng)爭(zhēng)的是“第二代”（圖1）產(chǎn)品。第二代非機(jī)械型融合了多種新技術(shù)，可增強(qiáng)在距離超過(guò)200 m或陽(yáng)光等噪音較大的環(huán)境中的檢測(cè)能力（圖2）。

（a）搭載AEye激光雷達(dá)的測(cè)試車(chē)輛

（b）Blackmore開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品

（c）Blickfeld的開(kāi)發(fā)產(chǎn)品

（d）Innoviz的產(chǎn)品照片

（e）先鋒電子的開(kāi)發(fā)產(chǎn)品

圖2： 關(guān)于LiDAR的新產(chǎn)品和技術(shù)層出不窮，仍在尋找最佳方式。 最新產(chǎn)品是一種非機(jī)械式的改良產(chǎn)品，可以安裝在量產(chǎn)車(chē)型上。

從2025年開(kāi)始全面普及

第一代非機(jī)械型產(chǎn)品的商用化僅僅是LiDAR的開(kāi)始， 眾多LiDAR制造商都認(rèn)為2025年后才會(huì)開(kāi)始全面采用車(chē)載LiDAR。

Innoviz認(rèn)為， 到2025年，車(chē)載激光雷達(dá)市場(chǎng)將首次突破1000萬(wàn)臺(tái)，其中將引入具有全自動(dòng)駕駛功能的私家車(chē)（“ L4級(jí)”或“ L5級(jí)”） 。在此之前，大多數(shù)應(yīng)用將用于自動(dòng)穿梭巴士和機(jī)器人出租車(chē)。由于價(jià)格相對(duì)沒(méi)有私家車(chē)敏感，因此最初可能使用機(jī)械型版本，類(lèi)似于Google的實(shí)驗(yàn)車(chē)輛所使用的版本。

先鋒電子對(duì)LiDAR全面采用的時(shí)機(jī)也有類(lèi)似的看法?！?2015年的時(shí)候，許多人預(yù)測(cè)具有L3級(jí)以上自動(dòng)駕駛功能的私家車(chē)的普及將在2022~2023年，但是最近的觀點(diǎn)卻普遍認(rèn)為可能會(huì)到2025年以后?！?（先鋒電子智能和自動(dòng)駕駛技術(shù)研究部門(mén)部長(zhǎng)村松英治）。

性能與價(jià)格之間的兩軸競(jìng)爭(zhēng)

在2025年之后的普及時(shí)期，激光雷達(dá)制造商已經(jīng)進(jìn)入了兩個(gè)方面的競(jìng)爭(zhēng)： （1）非機(jī)械型產(chǎn)品之間的性能競(jìng)爭(zhēng)，（2）各個(gè)雷達(dá)產(chǎn)品的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)。

隨著競(jìng)爭(zhēng)要素的增多，2020年代初的第一代非機(jī)械式產(chǎn)品的贏家，可能在2025年之后無(wú)法保持贏家的地位。而眾多以第二代非機(jī)械式Lidar為目標(biāo)的制造商們大多期待在2025年之后取勝。

（1）關(guān)于性能的競(jìng)爭(zhēng)，自2018年以來(lái)尤為明顯。先鋒松村先生表示：“我認(rèn)為，進(jìn)入2018年明顯感覺(jué)到對(duì)于LiDAR提出了更高的性能要求?！?不僅限于他，不少相關(guān)人士均表示，車(chē)載LiDAR所需的規(guī)格要求在不斷增加。過(guò)去，距離圖像的級(jí)別為“距離為200m，分辨率小于1度”，但最近級(jí)別已增加為“距離為200-300m，分辨率為0.1度”。

例如，在以超過(guò)100 km/h或甚至200km~300km的高速自動(dòng)駕駛期間，就必須進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)距以控制速度而不會(huì)突然制動(dòng)。即使當(dāng)前無(wú)法識(shí)別的物體位于前方，高分辨率LiDAR也可以輕松地從遠(yuǎn)處提高識(shí)別精度。在私家車(chē)特別是豪華私家車(chē)中，在高速自動(dòng)駕駛過(guò)程中的舒適駕乘度可能是造成差異化的主要因素

（2）使用無(wú)線電波的車(chē)載雷達(dá)，原本配備的分辨率是不足以識(shí)別物體的形狀或種類(lèi)的，但最近1年已經(jīng)出現(xiàn)了大約1度左右高分辨率的產(chǎn)品。部分雷達(dá)可以代替LiDAR進(jìn)行外部傳感。不需要光學(xué)組件，只需要用半導(dǎo)體和印刷板就能實(shí)現(xiàn)。盡管不是用于自動(dòng)駕駛，但已批量生產(chǎn)用于車(chē)載，量產(chǎn)初期就實(shí)現(xiàn)了僅數(shù)千日元的低價(jià)格水平。

雖然目前尚無(wú)分辨率達(dá)到0.1度的車(chē)載雷達(dá)，但在分辨率小于1度的范圍內(nèi)，如果將駕駛條件限制在每小時(shí)數(shù)十公里的低速范圍內(nèi)，完全有可能替換LiDAR。此外，理論上將測(cè)量距離擴(kuò)展至300m也是比較容易實(shí)現(xiàn)的，而且不容易受到諸如雨天等惡劣天氣的影響。

對(duì)于性能依然中途半端的LiDAR，我們可能很容易得出使用雷達(dá)就足夠了的結(jié)論。所以降價(jià)很重要。

價(jià)格下降不及預(yù)期

LiDAR價(jià)格并未以LiDAR制造商在2016-2017年預(yù)期的速度下降。 僅僅將掃描機(jī)構(gòu)替換成非機(jī)械式顯然是不夠的，還需要大規(guī)模量產(chǎn)。 與雷達(dá)或攝像頭在車(chē)載領(lǐng)域已經(jīng)大規(guī)模量產(chǎn)的情況不同，而第一款車(chē)載產(chǎn)品LiDAR在增加出貨量和降低價(jià)格方面仍然還是“先有雞還是先有蛋”的關(guān)系。

在2016-2017年左右，人們期望到2020年左右，非機(jī)械型激光雷達(dá)產(chǎn)品的成本可低于100美元）。然而，實(shí)際上LiDar制造商們最新的預(yù)期是，在2025年左右，能提供滿(mǎn)足汽車(chē)制造商需求的LiDAR成本可實(shí)現(xiàn)100到數(shù)百美元（圖3）。

圖3：能切實(shí)可行的降價(jià)方向

Quanergy LiDAR產(chǎn)品的價(jià)格路線圖。 對(duì)于許多LiDAR制造商而言，在滿(mǎn)足LiDAR要求的同時(shí)，迅速降低價(jià)格似乎很困難，2025年該公司的價(jià)格將低于100美元。 （圖片來(lái)源Q公司）

波長(zhǎng)和測(cè)距的新方法

為了在激烈的車(chē)載傳感器競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中擴(kuò)大采用范圍，特別是LiDAR的專(zhuān)業(yè)制造商們正在以低成本和非機(jī)械型為前提，開(kāi)發(fā)各種新技術(shù)（表1）。其中可以看到作為第二代無(wú)機(jī)械式產(chǎn)品，可取的主要新技術(shù)是關(guān)于波長(zhǎng)和距離的測(cè)量方法。

表1： LiDAR開(kāi)發(fā)示例

主要為非機(jī)械式。 Cepton的掃描機(jī)構(gòu)是機(jī)械式的，但是很容易降低價(jià)格。 此外，汽車(chē)，車(chē)載設(shè)備和IC廠商也紛紛投入開(kāi)發(fā)。 Velodyne目前還沒(méi)有公開(kāi)其非機(jī)械型產(chǎn)品規(guī)格，但據(jù)說(shuō)正在與瑞典電子制造商Veoneer合作。

更高的微米光輸出對(duì)眼睛安全

至于波長(zhǎng)，現(xiàn)有的LiDAR大多使用900~905 nm左右的波長(zhǎng)。 與此相對(duì)，第二代非機(jī)械型產(chǎn)品則采用了1550nm（1.55 μm）甚至10 μm的較長(zhǎng)波長(zhǎng)。長(zhǎng)波長(zhǎng)光具有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。

一是它不容易受到陽(yáng)光的影響。地面上太陽(yáng)光的能量密度的峰值在500 nm附近，從900 nm附近開(kāi)始波長(zhǎng)越長(zhǎng)能量密度就會(huì)越低（圖4）。所以在白天作為激光噪聲的太陽(yáng)光減少的話(huà)，就可以容易地增加光接收單元的SN比（信噪比）。

圖4：長(zhǎng)波長(zhǎng)化和“雷達(dá)化”的進(jìn)展

左圖是太陽(yáng)光的光譜。 波長(zhǎng)越長(zhǎng)，陽(yáng)光能量越少。 對(duì)眼睛的影響也降低了。 右邊是三個(gè)示例，說(shuō)明了如何讀取反射激光的距離（R）。 脈沖差（⊿t）用于幅度檢測(cè)，相位差（⊿Φ）用于相位檢測(cè)，頻率差（⊿f）用于頻率檢測(cè)。 將來(lái)，雷達(dá)使用的頻率檢測(cè)可能會(huì)成為主流。 （右圖： 基于Oryx的圖創(chuàng)建）

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是容易增加輸出強(qiáng)度。對(duì)于激光，IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）規(guī)定900納米左右的波長(zhǎng)為輸出上限，以保護(hù)人眼。當(dāng)光線通過(guò)眼睛的晶狀體被視網(wǎng)膜吸收時(shí)，視網(wǎng)膜可能會(huì)受損。波長(zhǎng)為1400 nm以上的激光不會(huì)被視網(wǎng)膜吸收，所以能不受IEC法規(guī)的約束。原理上就是輸出一個(gè)超強(qiáng)光線，而在光接收部位調(diào)整SN比。

用1550nm的光識(shí)別前方1公里

AEye（美國(guó)），Baraja（澳大利亞），Blackmore Sensors and Analytics（美國(guó)）使用波長(zhǎng)為1550nm的光源。以色列Oryx Vision則使用10μm光源。

AEye聲稱(chēng) 它可以使用1550nm的波長(zhǎng)識(shí)別1公里的距離。 為了不損害眼睛，采用的光源是光纖激光器，其輸出可以高于半導(dǎo)體激光器的輸出。 但是，由于輸出過(guò)強(qiáng)可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)置在另一個(gè)系統(tǒng)的照相機(jī)中的CMOS圖像傳感器的像素（光電二極管）有時(shí)會(huì)被損壞。Blackmore則先在480m范圍內(nèi)進(jìn)行識(shí)別。采用的是已被證明可用于光通信的半導(dǎo)體激光器和安裝技術(shù)。

通常，半導(dǎo)體激光器不能用于10μm的光源。以色列Oryx則使用天線代替受光元件1） 。

先鋒電子目前使用的波長(zhǎng)為905 nm，但將來(lái)可能會(huì)使用更長(zhǎng)的1550 nm波長(zhǎng)光源以獲得更長(zhǎng)的測(cè)量距離。該公司使用其獨(dú)有的MEMS系統(tǒng)用于掃描，并且設(shè)計(jì)它不選擇光源的波長(zhǎng)。

直接測(cè)量速度，對(duì)攝像頭也很安全

在LiDAR距離測(cè)量中，通常使用ToF（飛行時(shí)間），但是FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）的方法正在增加。ToF發(fā)射脈沖光并測(cè)量反射光的延遲時(shí)間從而測(cè)算出距離。FMCW讀取反射波的頻率變化而測(cè)算距離（圖4）。

FMCW不太容易受到陽(yáng)光噪聲的干擾，并且不受其他系統(tǒng)的干擾。將來(lái)，如果自動(dòng)駕駛汽車(chē)大面積普及，與使用ToF相比，很有可能減少誤檢測(cè)。這是因?yàn)槭褂昧诉B續(xù)波來(lái)代替ToF中使用的脈沖。在ToF中，需要通過(guò)重復(fù)捕獲脈沖的處理來(lái)減少錯(cuò)誤檢測(cè)。FMCW是一種廣泛用于雷達(dá)的方法，可以直接通過(guò)多普勒效應(yīng)測(cè)量速度。這是優(yōu)于LiDAR的優(yōu)勢(shì)，后者即使是高分辨率雷達(dá)也無(wú)法直接測(cè)量速度。

使用這種測(cè)量技術(shù)還可以減少損壞攝像頭的CMOS圖像傳感器的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)發(fā)射相同能量的光時(shí)，連續(xù)波FMCW的峰值功率低于脈沖波。Blackmore通過(guò)使用相同的1550nm的競(jìng)爭(zhēng)LiDAR突出了這一點(diǎn)。

使用FMCW的LiDAR制造商除了Blackmore外還包括Oryx。從距離測(cè)量方法來(lái)看，美國(guó)Aeva可能也采用了FMCW。LiDAR制造商之間的實(shí)現(xiàn)方法似乎沒(méi)有顯著差異。根據(jù)信號(hào)與發(fā)出頻率線性變化的信號(hào)和信號(hào)之間的頻率差估算距離。通過(guò)多普勒效應(yīng)測(cè)算速度。

厘米級(jí)“大” MEMS鏡

非機(jī)械型激光雷達(dá)的掃描方式除了MEMS，還有相控陣，微透鏡陣列等。

在MEMS中，通過(guò)MEMS移動(dòng)鏡頭以改變激光的方向。 除了Innoviz，德國(guó)的Blickfeld也采用這一方式。Blickfeld表示，通過(guò)使用直徑比普通MEMS反射鏡系統(tǒng)大的反射鏡，從光學(xué)原理上已經(jīng)提高了分辨率和測(cè)量距離。通常，MEMS反射鏡最多只有幾毫米，但該公司的反射鏡卻超過(guò)了10毫米。由于重量的原因，在保持高速（600線/秒）和廣角（最大±60度）的同時(shí)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)變得困難。該公司通過(guò)采用獨(dú)特設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

美國(guó)的TriLumina公司則正在開(kāi)發(fā)微透鏡陣列掃描3 ）。

通過(guò)設(shè)計(jì)激光元件和透鏡的位置來(lái)控制激光的照射方向。 來(lái)自位于透鏡中心的激光元件的光被導(dǎo)向透鏡的前部，而來(lái)自偏心（偏移）的激光元件的光可以被導(dǎo)向與偏移側(cè)相反的一側(cè)。因此，大量（例如512個(gè)）激光元件被分散并布置在一個(gè)透鏡的正下方，從而通過(guò)選擇發(fā)光元件可以在各個(gè)方向上發(fā)射光。

僅通過(guò)信號(hào)處理提高ToF

同時(shí)，采用ToF進(jìn)行距離測(cè)量的開(kāi)發(fā)中，抑制噪音影響的技術(shù)開(kāi)發(fā)仍在繼續(xù)。例如東芝（圖5）。

圖5： 通過(guò)信號(hào)處理抑制噪聲的影響

在LiDAR測(cè)距中應(yīng)用技術(shù)來(lái)減少接收光的噪聲的示例，由東芝開(kāi)發(fā)。 與該公司的常規(guī)方法相比（左），2019年的最新方法（右）減少了紅色包圍的區(qū)域中無(wú)法檢測(cè)到的部分（黑色）

通常，采用基于ToF的LiDAR的情況下，由于日光等原因，可能無(wú)法識(shí)別本應(yīng)接收的反射光。在以往的方法中，對(duì)周?chē)亩鄠€(gè)像素進(jìn)行積分并求平均，但在這種情況下，對(duì)不相關(guān)的物體（例如車(chē)輛和電線桿）進(jìn)行求平均，存在降低分辨率的可能性。

該公司將其累積的像素限制為與目標(biāo)像素相關(guān)的像素。例如，據(jù)說(shuō)來(lái)自同一車(chē)輛的多個(gè)反射光具有相似的振幅等，并且即使它們彼此靠近，來(lái)自電線桿的反射光也具有不同的振幅等。因此，僅集成測(cè)算相似（相關(guān)）的反射光。

在2019年，該公司進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)。具體而言就是利用歷史信息。例如，在捕獲特定幀中的反射光的像素時(shí)，即使下一幀中的反射光的振幅減小，也增加認(rèn)為存在反射光的可能性。反射光接收電路例如僅識(shí)別在一定期間（從假定的最大距離起的反射時(shí)間）內(nèi)振幅大的兩個(gè)反射光。這次，在前一幀中存在反射光的像素的幅度拓展到例如是以第3~4幀為對(duì)象，由此減少了無(wú)法測(cè)量距離的區(qū)域（圖5）。據(jù)說(shuō)，在相同條件下，可測(cè)量距離增加了22％，分辨率提高了2.2倍。