激光雷達憑借其探測距離遠、精確度高的特點成為自動駕駛環境感知系統是最不可或缺的一種傳感器，但又因為其環境適應能力差等缺點注定了不能是唯一的一種。

環境感知傳感器種類

環境感知相關的傳感器不止激光雷達一種，上圖展示了相關類型，其中應用到自動駕駛汽車中的傳感器主要有激光雷達、毫米波雷達以及攝像頭等。

下面從探測距離、可靠度、行人判別、夜間模式、惡劣天氣、細節分辨等維度對激光雷達、毫米波雷達、攝像頭三種傳感器的性能進行對比如下圖。

通過上圖可以直觀看出，激光雷達是三種環境感知傳感器中綜合性能最好的一種，這也就決定了它是自動駕駛汽車等機器人環境感知系統中不可或缺的一部分。

但是由于激光雷達在天氣適應性和細節分辨上有明顯短板，因此絕不會是環境感知系統中唯一的傳感器。

根據維度分類，激光雷達分為一維激光雷達、二維激光雷達、三維激光掃描儀和三維激光雷達。其中自動駕駛車輛中應用的就是三維激光雷達。

不同維度激光雷達功能及應用場景

在自動駕駛車輛中應用的三維激光雷達，目前以自動駕駛系統訓練為主要應用，測試市場為主的情況下，對產品的標準化成都要求不高，耐用性和可靠性要求也不高，價格敏感度低，目前全球市場主要被VELODYNE主導。

技術分析

激光雷達模塊的關鍵技術如下表：

激光雷達分為固態激光雷達和機械式激光雷達兩類。它們的區分主要看激光發射器是固定的還是運動式的。

機械式激光雷達的優點為掃描速度快、 接收視場小、可承受高的激光功率等。缺點為結構笨重；由于內部光路結構，反射信號接收比低；裝調工作量大。

以Velodyne全家桶為例，發射系統和接收系統存在宏觀意義上的轉動，也就是通過不斷旋轉發射頭，將速度更快、發射更準的激光從“線”變成“面”，并在豎直方向上排布多束激光形成多個面，達到動態3D掃描并動態接收信息的目的。但由于其復雜的機械結構，平均的失效時間僅1000-3000小時，難以達到整車廠們的最低要求的13000小時。

Velodyne機械式激光雷達

機械式激光雷達構成組件

固態激光雷達的發射源和接收器都是固定在一個裝置內不動的，它會通過一系列的方法把激光導向空間的各個方向，實現對周圍空間的掃描，一般分為MEMS（ Micro-Electro-MechanicalSystem）、光學相控陣激光雷達（OPA，Optical Phased Array）和泛光面陣式激光雷達（Flash）。

MEMS（ Micro-Electro-MechanicalSystem），微機電系統，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。優點為體積小，宏觀結構簡單，耐用、可靠性強，功耗低；缺點為半導體工藝難度太大，材料可選范圍小。

常見的MEMS產品包括MEMS加速度計、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀等以及它們的集成產品。

相控陣（OPA）發射器由若干發射接收單元組成陣列，通過改變加載在不同單元的電壓，進而改變不同單元發射光波特性，實現對每個單元光波的獨立控制，通過調節從每個相控單元輻射出的光波之間的相位關系，在設定方向上產生互相加強的干涉從而實現高強度光束，而其它方向上從各個單元射出的光波彼此相消。組成相控陣的各相控單元在程序的控制下，可使一束或多束高強度光束的指向按設計的程序實現隨機空域掃描。

固態OPA激光雷達Quanergy S3

優點有：①掃描速度快：一般都可以達到MHz量級以上；②掃描精度或指向精度高：千分之一度量級以上；③可控性好：除對目標區域進行高密度的掃描外，在其它區域也能進行稀疏掃描。

缺點有：①制造工藝難度較大：陣列單元尺寸必須不大于半個波長，一般目前激光雷達的工作波長均在1微米左右，陣列單元的尺寸必須不大于500納米；②材料的研究和選擇也是非常關鍵的因素：到目前為止，鈮酸鋰晶體、PLZT壓電陶瓷、液晶和AlGaAs基波導光學相控已得到開發。

泛光面陣式（Flash）是目前全固態激光雷達中最主流的技術。成像系統向外發射光源，發射出的光源在到達物體表面后，一部分反射回圖像上的像素點。而由于物體表面到返回點的距離不同，其反射光飛行時間（TOF）不同，通過對光飛行時間的測量，每個像素就可獲得獨立的距離信息，其探測范圍可以達到百米以上。攝像頭可以實現百萬像素級別的分辨率快速3D成像。

德國大陸FLASH面陣激光雷達

優點為：①純固態激光雷達：沒有任何機械傳動結構；②成像速度快；③成本低：集成度很高，在批量達到一定水平后，成本會很低；④非離散采：改善了感知系統對環境的空間理解能力。

缺點為：①受限于目前芯片技術水平，目前還是應用在非車輛級別；②掃描距離問題一直是瓶頸，由于是多發射器同時發射脈沖激光，因此模塊功率很難升上去；③安裝后只能向固定方向掃描。

現在業界OPA和MEMS都是比較成熟的激光雷達解決方案，目前它們的角分辨率最好的目前已經可以做到0.01°。

本文整理了全球激光雷達主流廠商如下表：

其中做機械式的有9家，做MEMS的有10家，做flash面陣的有5家，做OPA的有3家。

從可靠性、量產難度、量產后成本、工藝成熟度、性能等維度對機械式激光雷達、MEMS激光雷達、OPA激光雷達、Flash激光雷達進行對比如圖。

通過上圖可以看出光相控陣OPA理論性能最為強悍，光相控陣OPA功率受限無法滿足距離要求；MEMS性能其次，但量產已經具備可能性，MEMS方案一致性和產品壽命始終無法保證；Flash工藝最為成熟，供應鏈齊全，Flash系統的輸出能量限制，不可能超越單點測距的系統。

激光雷達產業構成

激光雷達系統復雜，涉及的核心元器件眾多：光電探測器、激光器、準直鏡頭、掃描鏡、數模轉換器等等。核心元器件目前主要是國外廠商壟斷，國內很少有企業有能力自主量產。

核心元器件廠商

市場概況

近年來，全球汽車的銷售量預計將僅增長3%，但預計截至2022年，汽車傳感器出貨量的平均增長率將在未來五年達到8%以上，銷售額增長將超過14%。這主要得益于毫米波雷達、攝像頭以及激光雷達高價值傳感器模塊日益廣泛的應用。

2016年，全球汽車MEMS和傳感器市場規模為110億美元，到2022年預計可增長至230億美元。

到2022年毫米波雷達、攝像頭以及激光雷達市場預計將分別增長至77億美元、62億美元和14億美元。

激光雷達行業發展趨勢

激光雷達客戶分為測試客戶和整車客戶，二者關注點不同，測試客戶是目前的主要客戶群體，而整車客戶還需要產品達到車規級要求，并且自動駕駛民用市場啟動后才能釋放需求。

縱觀全球頂級汽車廠，都有既定的第一批LEVEL 3以上功能量產車下線時間（SOP – Start of Production），從2019-2022不等。

整車廠對成本控制極其嚴格，幾百美金是他們能接受的價格上限。

整車廠要求產品滿足苛刻的車規認證，只要一條不滿足，整車廠都不會承擔這個風險。

由于這些條件的限制，他們往往只能考慮固態激光雷達

整車廠對激光雷達有何看法？

機械式激光雷達只在造型上就無法接受。工程車可以不用過多考慮外觀而得到應用，但乘用車還是會優先考慮固態的激光雷達。

目前機械式雷達的平均的失效時間僅1000-3000小時，難以達到整車廠們的最低要求的13000小時。

相控陣的特性非常突出，但它從概念性產品到工業級產品，再到可量產化的產品還需要一定的時間。因此目前的觀點是偏向于MEMS激光雷達。

未來基于MEMS的激光雷達，成本可能會在千元左右，可以很好的緩沖傳統機械式雷達的價格昂貴，以及相控陣純固態LIDAR短時不能落地的尷尬。

FLASH也是一種選擇，但是由于其探測距離的先天不足，目前已經不是最優選擇。

從國外幾家主要LiDAR企業的產品路線來看，不難看出，大家發力點都瞄準在固態，畢竟小型化、低成本、可靠性高是未來自動駕駛領域的趨勢。

全球激光雷達主流廠商融資情況整理