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技术专题：车用激光雷达技术趋势及发展现状

2018-12-20 22:15:16·  来源：国汽智联  
　
依托智能网联汽车领域的重大前沿成果，发挥汽车、电子、通信、交通等领域丰富的专家资源优势，国汽智联将重点围绕政策链、产业链、技术链、资本链开展高水平的产
依托智能网联汽车领域的重大前沿成果，发挥汽车、电子、通信、交通等领域丰富的专家资源优势，国汽智联将重点围绕政策链、产业链、技术链、资本链开展高水平的产业研究和战略服务工作，打造国家级智能网联汽车创新发展行业智库，推动汽车产业高质量、上水平发展与智能化转型升级。国汽智联将定期发布深层次行研、专家观点、热点分析、行业资讯等研究成果，帮助从业者掌握产业发展新动态、紧跟生态发展新模式、洞悉行业发展新脉络。
 
【摘要】本报告节选于《智能网联汽车蓝皮书（2018）》中车用激光雷达技术趋势的部分内容，原文题目是《车用雷达技术动态与发展》。报告深入探讨和分析了激光雷达的产业发展、应用现状与技术路线，基于产业现状、行业数据和技术路线对车用雷达技术的未来发展趋势进行了总结、分析与展望。
 
作者简介：张雷，博士，副教授，博士生导师，清华大学微电子与纳电子学系，研究方向为毫米波雷达芯片与系统设计等。
 
一、车用激光雷达用途及发展历程
1、车用激光雷达类型及用途
激光雷达是一种新型传感器，（简称：LiDAR – Light Detecting and Ranging）是激光主动探测传感器设备的一种统称，分为测量型激光雷达和导航型激光雷达两个大类，其主要工作原理是通过高频测距和扫描测角实现对目标轮廓三维扫描测量，即成像。相比摄像头和毫米波雷达等常见的辅助驾驶传感器，激光雷达具备强大的空间三维分辨能力。
 
汽车导航型激光雷达根据其内部结构“动”的程度分为：机械旋转、混合固态、微动和全固态激光雷达；根据其视场角分为360°视场激光雷达和局部视场激光雷达；根据探测距离分为用于高速行驶的长测程激光雷达和适于低速行驶的短测程激光雷达。
 
激光雷达适用于道路环境检测和行驶中的目标检测与跟踪，可以获得环境的深度信息，准确发现障碍物，构建可行驶区域。基于丰富的点云数据可获得包括车道、路沿等在内的道路要素，还可获得非结构化道路的障碍物和可行驶区域、行人和车辆、交通信号灯和交通标志等其他丰富信息。同时，激光雷达通过对行驶环境中车辆周围的各类目标进行有效检测、跟踪和预测，还能够实现跟车、换道和交叉口通行等复杂场景下的安全自动驾驶。
 
激光雷达可以用于地图构建和定位。通过采用激光雷达多次行驶获取道路的三维点云数据，进行人工标注，过滤一些点云图中的错误信息，对多次收集的点云数据进行对齐拼接最终形成高清地图。通过局部点云匹配和全局点云匹配的位置估计方式，获得给定的当前位置情况下观测到点云信息的概率分布，结合对当前位置预测的概率分布，就可以提高无人车定位的准确度。
车用激光雷达在结构化道路检测、可行驶区域检测、汽车和自行车检测、高精度地图构建和定位等场景中的应用

2、车用激光雷达发展历程
 
世界第一款汽车导航用激光雷达是美国Velodyne公司生产的64线激光雷达，首次亮相于2005年DARPA的无人驾驶挑战赛。从2005年开始，Velodyne公司推出了系列产品，近期推出了混合固态的16线/32线超小型激光雷达和128线高分辨率激光雷达，以及微动型激光雷达Velarray。
 
目前激光雷达主要用于后装市场，做产品测试或研发使用。除了IBEO联合Valeo开发的SCALA激光雷达满足车规并已经安装到奥迪A8汽车，其它例如谷歌、百度、Uber和通用等打造的无人车队和园区车，或者用于小批量后装测试和试运营，或者本身仍处于研发状态。

二、车用激光雷达技术趋势
 
1、车用激光雷达技术趋势
 
从国内外主流厂商的市场行为报道和产品发布计划分析，未来车用激光雷达的技术发展趋势主要表现在以下几个方面：
 
首先，技术指标提升。激光雷达的测程、视场覆盖和测量网格密度是评价激光雷达技术能力的主要技术参数，也是激光雷达的主要应用技术指标，激光雷达技术及产品的发展必然伴随着上述技术指标的不断提高。
 
其次，全固态是车用激光雷达的技术发展趋势。机械旋转扫描激光雷达尚属传感器的初级阶段，其机械扫描结构外置，尺寸重量大，不能适应广泛装车应用，尽管支持前期评估测试，但难以进入车用激光雷达前装产品线。未来发展趋势为取消机械旋转结构，利用半导体工艺将所有机械部件全集成，实现体积小、质量轻、坚固可靠、高效率和低成本的全固态激光雷达，同时提高激光雷达的环境适应性。
 
第三，未来的车用激光雷达须具备小型化和轻量化的特点。可以类似车灯分布在四周，实现汽车周边监控或探测。另外，激光雷达单机重量不应该超过1kg，对于多线短距激光雷达更应限制在300g-500g，便于嵌入车身，有利于主机厂整车设计，这些将在前装市场受到高度重视。
第四，环境适应和抗干扰能力是未来激光雷达技术发展需要克服的瓶颈。车用激光雷达需要做到全天时、全天候工作并保持优秀的探测能力。另外，由于波长、传播特性等原因，容易受到其他车辆上激光雷达的干扰，这些都是未来亟待解决的重要问题。

2、车用激光雷达技术路线对比
 
车用激光雷达的技术路线主要有机械式激光雷达、MEMS激光雷达、相控阵激光雷达和Flash（面阵）激光雷达等。
 
机械式激光雷达技术相对成熟，面临量产：Ibeo利用摆镜结构同轴收发，Velodyne通过电机带动收发对整体旋转，各个厂商机械式多线激光雷达检测距离一般在100-150米，水平角分辨率0.5度左右，垂直角分辨率约1度，可以满足L3级自动驾驶需求。但机械式激光雷达具有成本高、可靠性不够高、性能限制等问题。解决方案包括，一方面在现有框架下优化系统结构，另一方面，研发固态化激光雷达。
 
主流固态方案对比：1）Innoviz等采用的MEMS方案，前景相对看好；2）Quanergy的相控阵方案，原理尚不成熟短期应用困难；3）Tetravue的Flash方案，难以解决人眼安全及测距有限的问题。以上激光雷达技术路线中，有些有理论缺陷或难以突破的技术瓶颈，业内寄予希望较大的技术路线是面阵式，还有待时间和市场逐步考证。
车用激光雷达总体技术路线图
 
三、激光雷达产业链及主要参与企业
车用激光雷达的产业链条包括：上游的激光发射器、激光接收器（光敏及光电转化器件）、光学元器件、驱动装置、信号处理芯片厂商，中间的整机企业和一级供应商和下游的整车企业。
国内企业在激光雷达领域的研究与国际基本同步，禾赛科技与速腾聚创企业等的机械式激光雷达产品性能已达世界先进水平。粗略估计后装市场的激光雷达年需求量为2万台左右，其中Velodyne占据了绝对地位，其余市场由禾赛、速腾聚创等企业瓜分，三家企业的激光雷达已见诸于在美国、澳大利亚、法国、新加坡等国家的无人车上。
国际车用激光雷达产业链主要参与企业及技术水平
国内车用激光雷达产业链主要参与企业及技术水平 
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