2020 年,Apple 在新款 iPad Pro、iPhone 12 Pro 和 iPhone 12 Pro Max 上搭载 dToF 激光雷达模组。让激光雷达再次引发民众讨论。

 

虽然苹果产品上搭载的激光雷达也是基于飞行时间原理,但从产品要求以及客户群体来看,消费电子应用的激光雷达与无人驾驶、高级辅助驾驶、机器人、车联网应用的激光雷达区别很大。特别是消费电子对激光雷达模组的体积和功耗要求更为严格。

 

激光雷达产业自诞生以来,紧跟底层器件的前沿发展。随着激光雷达技术的发展,从单点激光雷达到如今技术方案不断创新的固态式激光雷达、FMCW 激光雷达,激光雷达一直以来都备受消费电子、无人驾驶、机器人、车联网等行业的关注。

 

目前,激光雷达通常分为机械式激光雷达纯固态式激光雷达半固态激光雷达。其中,半固态雷达以转镜式、旋镜式、振镜式三类为代表。而固态激光雷达主要有 MEMS、OPA、Flash 三大技术方向。

 

机械式激光雷达

机械式激光雷达的经典架构主要是通过电机带动光机结构整体旋转,一般在系统通道数目的增加、测距范围的拓展、空间角度分辨率的提高、系统集成度与可靠性的提升等方面进行技术的创新。机械式激光雷达具有扫描速度快,接受视场小,抗光干扰能力强,信噪比高等优势,缺点在于价格昂贵,光路调试、装配复杂、生产周期漫长、行车环境下可靠性不高。

 

半固态式激光雷达

半固态式激光雷达可以分为转镜式、微振镜式等。其中,转镜式保持收发模块不动,让电机在带动转镜运动的过程中将光束反射至空间的一定范围,从而实现扫描探测,其技术创新方面与机械式激光雷达类似。

 

微振镜式主要采用高速振动的二维振镜实现对空间一定范围的扫描测量,技术发展方面侧重开发口径更大、频率更高、可靠性更好振镜来适用于激光雷达。微镜振动幅度很小,频率高,成本低,技术成熟,适用于量产大规模应用。

 

纯固态式激光雷达

一般认为,纯粹的固态激光雷达只有两种,一种是光学相控阵 OPA,一种是 Flash。OPA 即光学相控阵技术,通过施加电压调节每个相控单元的相位关系,利用相干原理,实现发射光束的偏转,从而完成系统对空间一定范围的扫描测量。

 

电子扫描式主要按照时间顺序通过依次驱动不同视场的收发单元实现扫描,系统内没有机械运动部件。其架构比整体曝光所有收发单元的 Flash 固态式激光雷达更先进。

 

Flash 激光雷达主要是通过短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光,再以高度灵敏的面阵接收器,来完成对环境周围图像的绘制。

 

纯固态式激光雷达因扫描速度快、精度高、可控性好、体积小等特点被认为是未来激光雷达的发展趋势,但纯固态激光雷达技术并没有完全成熟。

 

FMCW 激光雷达

FMCW 激光雷达发射调频连续激光,通过回波信号与参考光进行相干拍频得到频率差,从而间接获得飞行时间反推目标物距离,同时也能够根据多普勒频移信息直接测量目标物的速度,技术发展方向有利用硅基光电子技术实现激光雷达系统的芯片化。

 

FMCW 激光雷达可实现更高的探测灵敏度和精度,适合硅光子和相控阵技术低成本批量生产,并且可以有效阻止其他雷达的干扰。但是,对元件的功耗处理能力要求很高是限制该技术的基本因素,若要获得市场认可,其中的激光器必须要在调频速度、调频范围、线性度、激光相干性、满足车规以及能够低成本量产等多方面取得进展。

 

基于不同激光雷达的优劣势,国内外厂商在技术方面选择不同阵营。

 

目前机械式激光雷达的玩家主要有:禾赛、Velodyne、速腾、Ouster 等。

 

混合固态激光雷达的玩家主要有:基于 MEMS 的速腾、Innoviz,基于转镜式的大疆 Livox、法雷奥、Luminar 等。

 

而纯固态激光雷达玩家有: Quanergy、Ibeo 等。

 

激光雷达固态化是未来趋势,有着小型化、低成本优势。固态激光雷达无需旋转部件,因而体积更小,十分方便集成在车身内部,并且随着系统可靠性的不断提升,成本也可大幅降低。因此,激光雷达有向固态发展的趋势。