激光雷達(dá)作為現(xiàn)代精確測距和感知技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，在近幾年里取得了令人矚目的發(fā)展。目前國內(nèi)車規(guī)級激光雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)逐步趨于完善，伴隨半固態(tài)式、固態(tài)式等技術(shù)不斷革新，未來作為自動(dòng)駕駛核心配置的發(fā)展?jié)摿薮?。除此之外激光雷達(dá)也在機(jī)器人技術(shù)、智能制造等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，促使激光雷達(dá)市場不斷增長。

激光雷達(dá)技術(shù)路線多樣，當(dāng)前仍處于多技術(shù)路線并行階段。技術(shù)路線有四個(gè)主要的維度：測距原理、光源、探測器、光束操縱。激光雷達(dá)主要包括激光發(fā)射、掃描系統(tǒng)、激光接收和信息處理四大系統(tǒng)，四個(gè)系統(tǒng)相輔相成。根據(jù)這四個(gè)系統(tǒng)的不同特征，可以從四個(gè)不同維度來闡述激光雷達(dá)技術(shù)路線。其中光源和探測器即激光雷達(dá)的發(fā)射端與接收端，光束操縱即激光雷達(dá)的掃描方式，測距則為信息處理提供距離信息。根據(jù)四個(gè)主要的維度可以將激光雷達(dá)進(jìn)行分類，每個(gè)不同分類方式又可進(jìn)一步細(xì)分為不同的技術(shù)路線，不同路線之間存在較大差異。

1、測距方法

（1）按測距方法分類

根據(jù)測距方法分類，激光雷達(dá)可分為4種類型。激光雷達(dá)根據(jù)測距原理主要有四類：飛行時(shí)間法（ToF）、調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）、三角測距法和相位法。最主要的兩種測量方法是ToF和FMCW。ToF測量原理是通過記錄短脈沖發(fā)射到接收到反射光之間的時(shí)間來測量距離，并在測量過程中通過反射光的角度來測量物體的位置。FMCW的測量原理是將發(fā)射激光的光頻進(jìn)行線性調(diào)制，使回波信號與參考光進(jìn)行相干拍頻得到頻率差來間接獲得飛行時(shí)間反推目標(biāo)物距離，優(yōu)點(diǎn)是抗干擾強(qiáng)、可直接測量速度。

（2）ToF測距方法當(dāng)前為主流，F(xiàn)MCW具備良好前景

激光雷達(dá)測距方法中ToF與FMCW能夠?qū)崿F(xiàn)室外陽光下較遠(yuǎn)的測程（100~250m），是車載激光雷達(dá)的優(yōu)選方案。

ToF是目前車載中長距激光雷達(dá)市場的主流方案，有非常高的激光發(fā)射頻率，具備高精度探測優(yōu)勢，但ToF激光雷達(dá)最大激光功率受到限制，探測距離存在瓶頸，在白天會受到陽光干擾，在接收信號過程中產(chǎn)生噪音。而FMCW激光雷達(dá)具有可直接測量速度信息以及抗干擾、遠(yuǎn)程性高的優(yōu)勢，視距可以擴(kuò)展至1,000米或者2,000米，但FMCW的激光雷達(dá)對激光器的要求非常高，同時(shí)信號解算又相當(dāng)復(fù)雜，設(shè)計(jì)和制造使成本較高，因此技術(shù)上仍具有挑戰(zhàn)。未來隨著FMCW激光雷達(dá)整機(jī)和上游產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，其占比有望獲得提升，預(yù)計(jì)FMCW激光雷達(dá)在2024年左右可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，成為和ToF并存的主要測距方式。

2、發(fā)射單元

（1）按激光波長將激光器分類

激光雷達(dá)的激光器可以分為以光纖激光器為代表的1550nm（遠(yuǎn)波紅外，SWIR）激光器和以半導(dǎo)體激光器為代表的905nm（近紅外，NIR）激光器。其中，近紅外激光器依據(jù)發(fā)光原理的不同，又可分為邊發(fā)射激光器（EEL），垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）和固體激光器。

光纖激光器與半導(dǎo)體激光器不同的地方主要在諧振腔。半導(dǎo)體激光器使用不同介質(zhì)的分界面作為反射面，從而形成諧振腔。而光纖激光器直接使用光纖作為諧振腔。大氣穿透能力強(qiáng)，人眼安全性高，峰值功率可達(dá)上百甚至上千瓦，單色性好是激光光源的顯著特點(diǎn)，但是激光雷達(dá)在光源及探測器成本、體積、溫度穩(wěn)定性以及供應(yīng)鏈成熟度上還有明顯的不足。其更新頻率約在10赫茲，但是汽車高速行駛狀態(tài)至少要達(dá)到25赫茲，影響成像的實(shí)時(shí)性。

（2）905nm器件較為成熟，1550nm是未來發(fā)展方向

傳統(tǒng)的905nm可以使用廉價(jià)的硅基CMOS作為接收端，其光噪聲和控制信號比較平穩(wěn)，但是905nm測距受限在150米以內(nèi)。由于出于安全角度要選用一級的能量（只能實(shí)現(xiàn)150m)，近紅外波段僅適用于乘用車。商用車至少需要300米探測距離，就需要用到1550nm的光源。遠(yuǎn)波紅外激光在空氣中的衰減性更弱，進(jìn)入人的視網(wǎng)膜之后無法聚焦不會傷害眼睛晶體，可以在保證安全基礎(chǔ)上人為增加能量，增大探測距離。但是，遠(yuǎn)波紅外光源必須使用較為昂貴的銦鎵砷（InGaAs）作為接收端，其具有生產(chǎn)工藝難，激光器價(jià)格高的缺陷。此外探測距離遠(yuǎn)意味著功率大，這也對芯片散熱能力以及封裝提出了更高要求。

（3）對905nm工藝而言，EEL制作工藝復(fù)雜，VCSEL未來有望迎來快速發(fā)展

目前，成熟的近紅外工藝（905nm等）主要的激光發(fā)射器為邊發(fā)射激光器（EEL）和垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。據(jù)禾賽科技招股書，EEL作為探測光源具有高發(fā)光功率密度的優(yōu)勢，但因?yàn)槠浒l(fā)光面位于半導(dǎo)體晶圓的側(cè)面，使用過程中需要進(jìn)行切割、翻轉(zhuǎn)、鍍膜、再切割的復(fù)雜工藝步驟，而且每顆激光器極大地依賴產(chǎn)線工人的手工裝調(diào)技術(shù)，生產(chǎn)成本高且一致性難以保障。而VCSEL因?yàn)榘l(fā)光面與半導(dǎo)體晶圓平行，其所形成的激光器陣列易于與平面化的電路芯片鍵合，無需再進(jìn)行每個(gè)激光器的單獨(dú)裝調(diào)，且易于和面上工藝的硅材料微型透鏡進(jìn)行整合，能有效提升光束質(zhì)量。近年來國內(nèi)外多家VCSEL激光器公司紛紛開發(fā)了多結(jié)VCSEL激光器，使得VCSEL光功率密度得到有效提升，VCSEL得以被運(yùn)用在長距激光雷達(dá)領(lǐng)域。從生產(chǎn)成本和產(chǎn)品性能可靠性看，VCSEL未來將有望逐漸取代EEL。

3、接收單元

激光雷達(dá)里的探測器即光電探測器可分為PINPD（PIN光電二極管）、APD（雪崩式光電二極管）、SPAD（單光子雪崩二極管）、SiPM（硅光電倍增管）四類。APD為當(dāng)前主流。

SPAD相對雪崩二極管（PAD），靈敏度和工作效率更高。APD和SPAD工作機(jī)制的差異，主要在于不同電場下的載流子行為不同。APD工作在擊穿電壓附近（＜擊穿電壓），表現(xiàn)出有限的增益。SPAD工作在擊穿電壓以上，表現(xiàn)出無限的增益（理論增益為∞），可以實(shí)現(xiàn)單光子觸發(fā)。因此，SPAD具有比APD更高的靈敏度。激光強(qiáng)度更高的EEL可以配合APD使用，而VCSEL可以搭配更靈敏的SPAD?；赟PAD可以檢測到單個(gè)光子，因此可以做成光子計(jì)數(shù)器，集成了TDC的SPAD不需要再進(jìn)行點(diǎn)云處理，直接可以輸出深度圖像。

APD相較SPAD受噪聲影響較小，性能更加穩(wěn)定。1）如果背景光噪聲較強(qiáng)，SPAD會由于頻繁的誤觸發(fā)而處于一種“疲勞”的狀態(tài)，點(diǎn)云噪點(diǎn)會明顯增多；2）高溫會進(jìn)一步影響SPAD的噪聲水平，在原有的暗計(jì)數(shù)、后脈沖效應(yīng)、串?dāng)_等不利因素的基礎(chǔ)上，加劇性能的惡化。因此，在夜晚等沒有太強(qiáng)背景光的場景下，高性能SPAD的表現(xiàn)優(yōu)于APD，但在太陽光強(qiáng)烈、極端溫度的環(huán)境下，現(xiàn)有SPAD的綜合表現(xiàn)卻是顯著低于APD的。

集成后的SiPM可以有效應(yīng)對強(qiáng)光，但工藝尚不成熟。光電倍增管SiPM是多個(gè)SPAD的集成為一個(gè)像素，能夠產(chǎn)生強(qiáng)度效果，可以獲得更高的動(dòng)態(tài)范圍以應(yīng)對強(qiáng)光場景。但像素單元較大，較難做集成化，會導(dǎo)致芯片面積增大、工藝難度增加等問題。

4、掃描單元

（1）按掃描方式分類

掃描單元按照技術(shù)架構(gòu)可以分為整體旋轉(zhuǎn)的機(jī)械式激光雷達(dá)、收發(fā)模塊靜止的半固態(tài)激光雷達(dá)以及固態(tài)式激光雷達(dá)。其中，半固態(tài)激光雷達(dá)具有微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、轉(zhuǎn)鏡和棱鏡三種方案。固態(tài)激光雷達(dá)包括光學(xué)相控陣（OPA）和閃光激光雷達(dá)（FLASH）。

（2）機(jī)械式+半固態(tài)較為成熟，純固態(tài)式前路可期

長期來看，固態(tài)激光雷達(dá)由于不存在可活動(dòng)部件，在成本和穩(wěn)定性方面都有較大潛力，是技術(shù)上的最優(yōu)解。而目前三種技術(shù)路線中，機(jī)械式最為常用，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于Robotaxi等領(lǐng)域；半固態(tài)激光雷達(dá)是機(jī)械式和純固態(tài)式的折中方案（較機(jī)械式只掃描前方一定角度內(nèi)的范圍；較純固態(tài)式仍有一些較小的活動(dòng)部件），是目前階段乘用車量產(chǎn)裝車的主流產(chǎn)品。

1）機(jī)械式雷達(dá)發(fā)展較為成熟，但因成本和部件冗雜難以實(shí)現(xiàn)車規(guī)級量產(chǎn)

機(jī)械式激光雷達(dá)的技術(shù)方案主要是高線數(shù)機(jī)械式方案。通過電機(jī)帶動(dòng)光機(jī)結(jié)構(gòu)整體旋轉(zhuǎn)的機(jī)械式激光雷達(dá)是激光雷達(dá)經(jīng)典的技術(shù)架構(gòu)，其技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在系統(tǒng)通道數(shù)目的增加、測距范圍的拓展、空間角度分辨率的提高、系統(tǒng)集成度與可靠性的提升等。相比于半固態(tài)式和固態(tài)式激光雷達(dá)，機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)的優(yōu)勢在于可以對周圍環(huán)境進(jìn)行360°的水平視場掃描，在視場范圍內(nèi)測距能力更強(qiáng)。但旋轉(zhuǎn)部件體積和重量龐大，且高頻轉(zhuǎn)動(dòng)和復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)讓其內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)部件容易損壞，使用壽命相對較短，難以滿足車規(guī)的嚴(yán)苛要求。此外它靠增加收發(fā)模塊的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)高線束，使得成本較高，亦限制了其大規(guī)模使用。目前，國內(nèi)外主流廠商包括Velodyne、鐳神智能、速騰聚創(chuàng)等。

2）MEMS已經(jīng)成為未來發(fā)展的重要方向，也是最有優(yōu)勢的細(xì)分領(lǐng)域之一

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），是指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級，是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)?；贛EMS的微振鏡利用半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)，不需要機(jī)械式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，而是以電的方式來控制光束。其核心是一個(gè)微米尺度的振鏡，通過一個(gè)纖細(xì)的懸臂梁在橫縱兩軸高速周期震動(dòng)，從而改變激光反射方向并實(shí)現(xiàn)掃描。

MEMS激光雷達(dá)由于僅有單個(gè)光源而大大減小了器件體積和功耗。其光路結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動(dòng)部件減少，可靠性相較機(jī)械式激光雷達(dá)提升很多。同時(shí)減少了激光器和探測器數(shù)量，成本大幅降低。其壽命在10000至12000小時(shí)以上，可以通過車規(guī)級認(rèn)證。其缺點(diǎn)在于振鏡會造成產(chǎn)品的不穩(wěn)定性：支撐振鏡的懸臂梁角度有限，覆蓋面很小，所以需要多個(gè)雷達(dá)進(jìn)行共同拼接才能實(shí)現(xiàn)大視角覆蓋，這就會在每個(gè)激光雷達(dá)掃描的邊緣出現(xiàn)不均勻的畸變與重疊，不利于算法處理。另外，懸臂梁很細(xì)，機(jī)械壽命也有待進(jìn)一步提升。

3）轉(zhuǎn)鏡、棱鏡技術(shù)：結(jié)構(gòu)簡單相對低功耗，壽命長可靠性高

轉(zhuǎn)鏡激光雷達(dá)最早應(yīng)用于車規(guī)級產(chǎn)品，目前是最主流的半固態(tài)方案。轉(zhuǎn)鏡方案固定了收發(fā)模組，用360°高速旋轉(zhuǎn)的多面棱形反射鏡來反射光束，完成激光雷達(dá)視野范圍內(nèi)全視場角掃描。轉(zhuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)在于棱鏡、電機(jī)和發(fā)射器有更好的耐熱性和耐用性，因此更容易過車規(guī)，當(dāng)前Valeo的運(yùn)用轉(zhuǎn)鏡方案的Scala1已經(jīng)通過車規(guī)認(rèn)證。轉(zhuǎn)鏡被視為機(jī)械式向純固態(tài)進(jìn)軍的必經(jīng)之路，是短期上車主流，且未來很長一段時(shí)間半固態(tài)和純固態(tài)都將并行。

棱鏡技術(shù)原理為將兩個(gè)有斜面的柱狀鏡頭組合，可以利用光的折射控制激光的掃描方向，最終掃描出一個(gè)花瓣?duì)畹膮^(qū)域。調(diào)整兩個(gè)棱鏡的轉(zhuǎn)速就可以控制掃描的區(qū)域，其掃描路徑不會重復(fù)，理論上如果掃描時(shí)間足夠久，棱鏡激光雷達(dá)可以掃描出前方每一個(gè)點(diǎn)的距離，具有高于其他技術(shù)路徑的視場覆蓋率和等效線數(shù)。但是棱鏡技術(shù)點(diǎn)云分布中央密集，邊緣稀疏，且控制棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)難度較高。目前僅大疆覽沃實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

4）OPA尚處于起步階段，制造難度和成本較高

光學(xué)相控陣技術(shù)(OPA)通過施加電壓調(diào)節(jié)每個(gè)相控單元的相位關(guān)系，利用相干原理實(shí)現(xiàn)發(fā)射光束的偏轉(zhuǎn)，從而完成系統(tǒng)對空間一定范圍的掃描測量。雷達(dá)精度可以做到毫米級，且順應(yīng)了未來激光雷達(dá)固態(tài)化、小型化以及低成本化的趨勢，但難點(diǎn)在于如何把單位時(shí)間內(nèi)測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提高以及投入成本巨大等問題，目前OPA產(chǎn)業(yè)鏈尚處于起步階段，真正投入使用的主要是美國的Quanergy公司。

5）Flash激光雷達(dá)能快速記錄場景，但探測距離短板導(dǎo)致其應(yīng)用受限

FLASH閃光激光雷達(dá)原理類似照相機(jī)，但感光元件與普通相機(jī)不同，每個(gè)像素點(diǎn)可以記錄光子飛行時(shí)間信息。通過在短時(shí)間內(nèi)直接向前方發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，通過高度靈敏的接收器實(shí)現(xiàn)對環(huán)境周圍圖像的繪制。其具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸壓縮空間較大和數(shù)據(jù)豐富的特點(diǎn)，是目前純固態(tài)激光雷達(dá)最主流的技術(shù)方案。然而受限于需要在有限功率下發(fā)射大面積的激光，其不得不降低單位面積上激光的強(qiáng)度，勢必會影響到探測精度和探測距離。因此還無法完成全路況的輔助駕駛，僅在較低速的無人外賣車、無人物流車等領(lǐng)域應(yīng)用。代表品牌包括Ibeo、大陸、Ouster、法雷奧等。

5、信息處理單元

集成化方向發(fā)展，SoC替代FPGA是行業(yè)趨勢。激光雷達(dá)接收的信號需要在處理系統(tǒng)經(jīng)過放大處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)由信息處理模塊計(jì)算，獲取目標(biāo)表面形態(tài)、物理屬性等特性，最終建立物體模型?，F(xiàn)階段主控芯片F(xiàn)PGA為行業(yè)主流，遠(yuǎn)期企業(yè)自研SoC有望逐步替代。目前FPGA主控芯片市占率較高，但隨著主流廠商對于性能及整體系統(tǒng)需求的提升，下一步的發(fā)展方向逐步向片上集成芯片（SoC）遷移。將探測器、前端電路、算法處理電路、激光脈沖控制等幾個(gè)不同模塊集成在一塊芯片內(nèi)，能夠同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理，甚至直接輸出點(diǎn)云圖像。國內(nèi)外的SoC玩家主要包括禾賽科技、Mobileye、英特爾等。伴隨計(jì)算規(guī)模與存儲容量的增長，未來SoC將具備更高的集成度和更清晰的點(diǎn)云質(zhì)量，或?qū)⒅鸩酱嬷骺匦酒現(xiàn)PGA。

（報(bào)告來源 ：慧博資訊，原文標(biāo)題：激光雷達(dá)行業(yè)深度：驅(qū)動(dòng)因素、技術(shù)路線、產(chǎn)業(yè)鏈及相關(guān)公司深度梳理，內(nèi)容有刪減）