激光雷达市场调研及产品分析

激光雷达调研分析

XXX公司

20xx年x月x日

目录

一、概念原理 (1)

1、雷达介绍 (1)

2、激光的原理 (1)

二、雷达种类 (2)

1、优缺点对比 (2)

2、主要厂家 (4)

三、参考链接 (1)

一、概念原理

1、雷达介绍

光学雷达是一种光学遥感技术，它通过向目标照射一束光，通常是一束脉冲激光来测量目标的距离等参数。

激光雷达对物体距离的测量与通常所说的雷达类似，都是通过测量发送和接受到的脉冲信号的时间间隔来计算物体的距离。因此，由于原理上的相似性，尽管雷达的准确定义是使用微波或无线电波等波长较长的电磁波进行检测测距的设备，激光雷达这一术语仍然被广泛使用。

激光发出具有高方向性的光束，即组成的光波在一条直线上传播，不会扩散。普通的光源发出的光波会朝各个方向扩散。激光束内的光波都是相同颜色的（此性质叫单色性）。普通的光（比如荧光灯管发出的光）一般来说是几种颜色的光混合后表现为白色。当激光束内的光波传播时，它们以完全同步的波峰和波谷发生振荡，这种特性叫做相干性。当两个激光束相互重叠时，每个光束的波峰和波谷只会相互加强，产生一个干涉图。

2、激光的原理

原子（分子）从外部吸收能量后，从下准位（低能级状态）跃迁至上准位（高能级状态）。这种状态被称为受激状态。

受激状态是一种不稳定的状态，将会很快返回至低能级状态。这一行为被称为“跃迁”。

此时会辐射出相当于跃迁能量的光。这种现象被称为自发发射。辐射出的光碰撞到同样处于受激状态的其他原子，也会激励其发生相同的跃迁。这种受到诱导而辐射出的光称为受激发射。

所有的激光振荡管都由以下三个元件组成：

二、雷达种类

激光雷达主要有三种技术流派：

混合固态技术（Solid State Hybrid），以Velodyne产品为代表。IBEO也是使用该技术，但线束少于Velodyne。混合固态是目前应用于车载领域主要技术类型；

微机电技术（Mechanical Mechanism），以创业公司Quanergy为代表；

机械技术（Mechanical Mechanism），以传统公司Leica, Riegl等公司为代表，主要应用于高端工业领域

1、优缺点对比

相控：不同于机械扫描雷达的通过天线转动来实现电磁波定向发送，相控阵雷达通过信号单元发射不同相位的电磁波相互耦合实现不同方向的传播。简单的说，机械扫描雷达会动，相控阵雷达不会。

相控光束图对比

相控阵雷达也可以做成单板+机械扫描方式，与传统雷达类似只不过放在砖塔上的是阵列发射单元，靠机械旋转完成水平一周扫描，电子相位只做纵向波束的指向变化，与水平机械旋转结合后可以最小重量实现全向扫描，但也存在机械雷达的问题，如旋转速度、水平波束变换等限制。由于这种雷达仍需要机械旋转，因此不属于固态雷达。

为了彻底取消机械旋转部件，需要大约4块雷达背向使用，每块雷达覆盖90度以上空余，就不再需要旋转发射阵面的，这就是全固态雷达，它有这面体积可以非常大、扫描速度快等优点，但体积和重量都不低，不能升到太高的桅杆或底座上。

与传统机械扫描技术的雷达相比，利用光学相控阵扫描技术的固态激光雷达有很多优势：

①结构简单、尺寸小：由于不需要旋转部件，可以大大压缩雷达的结构和尺寸，提高使用寿命，并降低成本。

②标定简单：机械式激光雷达由于光学结构固定，适配不同车辆往往需要精密调节其位置和角度，固态激光雷达可以通过软件进行调节，大大降低了标定的难度。

③扫描速度快：不用受制于机械旋转的速度和精度，光学相控阵的扫描速度取决于所用材料的电子学特性，一般都可以达到MHz量级。

④扫描精度高：光学相控阵的扫描精度取决于控制电信号的精度，可以达到千分之一度量级以上。

⑤可控性好：光学相控阵的光束指向完全由电信号控制，在允许的角度范围内可以做到任意指向，可以在重点区域进行高密度的扫描。

⑥多目标监控：一个相控阵面可以分割为多个小模块，每个模块分开控制即可同时锁定监控多个目标。

但固态激光雷达也有它相应的缺点：

①扫描角度有限：根据上面推倒的公式，调节相位最多只能让中央明纹改变±60°左右，因此要实现全方位扫描，需在不同方向布置多个（至少前后两个）固态激光雷达。

②旁瓣问题：光栅衍射除了中央明纹外还会形成其他明纹，这一问题会让激光在最大功率方向以外形成旁瓣，分散激光的能量。

③加工难度高：光学相控阵要求阵列单元尺寸必须不大于半个波长，一般目前激光雷达的工作波长均在1微米左右，故阵列单元的尺寸必须不大于500nm。而且阵列密度越高，能量也越集中，这都提高了对加工精度的要求，需要一定的技术突破。

④接收面大、信噪比差：传统机械雷达只需要很小的接收窗口，但固态激光雷达却需要一整个接收面，因此会引入较多的环境光噪声，增加了扫描解析的难度。

2、主要厂家

Quanergy公司的Solid State LiDAR S3在CES 2017上获得了汽车智能类（Vehicle Intelligence Category）的最高奖项——最佳创新奖（Best of Innovation Award）。Velodyne在CES展之前就发布消息，称其与EPC（Efficient Power Conversion Corporation）共同研发有望将固态激光雷达成本降至50美金的核心芯片。Innoviz和TriLumina也宣称要推出固态激光雷达。

HDL-64E激光雷达内部照片

HDL-32E激光雷达内部照片

VLP-16 激光雷达内部照片

Velodyne所有的产品在俯仰方向（垂直于水平面方向）均采用了电子扫描技术，在方位方向（水平方向）采用机械360º旋转扫描。

固态混合多线激光雷达内部结构原理示意图