了解激光雷达技术

LiDAR 技术和市场正在迅速发展，IDTechEx 正在跟踪全球一百多家 3D LiDAR 公司。每家公司都声称提供高度创新的下一代产品，优于竞争技术。经过一段时间的专门研究，IDTechEx 发布了对激光雷达市场的全面分析。

在第 1 部分中，IDTechEx 自动驾驶汽车团队的专家分析师回答了解决公众对 LiDAR 技术的担忧和误解的问题。在第 2 部分中，我们概述了控制 LiDAR 系统设计和性能的四种基本技术选择。进行这项研究的分析师在激光物理和半导体物理研究方面拥有丰富的经验，此外还在为数十亿美元的公司提供业务增长和技术战略方面的建议。

第 1 部分：关于激光雷达的常见问题

什么是激光雷达技术？

LiDAR是一种光学传感器技术，使机器人能够看到世界，做出决策和导航。执行简单任务的机器人可以使用LiDAR传感器来测量一维或二维空间，但三维（3D）激光雷达对于旨在模拟人类的高级机器人很有用。其中一种先进的机器人是自动驾驶汽车，其中人类驾驶员被LiDAR和其他自动驾驶汽车技术所取代。3D LiDAR 系统以三维方式扫描光束以创建环境的虚拟模型。反射光信号由车辆测量和处理，以检测物体、识别物体并决定如何与这些物体交互或避开这些物体。

激光雷达技术能看多远？

物体检测范围取决于测量过程、激光器、光束转向机构和光电探测器的选择。专为城市环境中的低速车辆设计的短程3D LiDAR通常具有50米或更小的射程。为高速公路环境下的高速车辆设计的远程激光雷达可以展示200米或更大的范围。

激光雷达技术能看到什么？

3D LiDAR 可以确定物体的位置、大小和形状。许多激光雷达可以识别物体是人还是骑自行车的人，而高分辨率激光雷达在某些情况下可以读取文本。调频连续波（FMCW）激光雷达是自动驾驶汽车市场的新兴技术趋势。与传统的飞行时间（TOF）激光雷达不同，FMCW激光雷达可以通过实时检测物体速度与雷达技术竞争。激光雷达看不到颜色。

激光雷达技术在夜间能看到吗？

是的，与人类驾驶员和标准摄像头相比，3D LiDAR 可实现卓越的夜视能力。在黑暗环境中实现安全驾驶是汽车制造商采用LiDAR技术的关键动机。

激光雷达技术在恶劣天气下能看到吗？

与人类驾驶员和标准摄像头相比，3D LiDAR 在恶劣天气下的表现更好。然而，恶劣的天气性能取决于LiDAR系统的设计。例如，与短波红外 （SWIR） 激光雷达相比，在近红外 （NIR） 波长下运行的 LiDAR 受雾况的影响更大，因为 SWIR 光被雾散射的比 NIR 光少。

激光雷达传感器会被附近的激光雷达传感器分散注意力吗？

这是可能的，但每个3D LiDAR系统都旨在将自己的信号与背景噪声隔离开来。与传统的TOF激光雷达技术相比，FMCW激光雷达可实现更好的信号编码，从而将干扰风险降至最低。

一项激光雷达技术能否成为赢家？

根据 IDTechEx 开发的市场模型，这在未来十年内不可能发生。理想的 3D LiDAR 技术取决于车辆的类型、自主性水平和典型运行条件。

激光雷达的价格会限制其采用吗？

根据IDTechEx的市场分析，3年2019D LiDAR模块的平均价格为10，500美元。然而，随着LiDAR技术的成熟和公司扩大生产规模，单价将在未来十年内迅速下降。到 3 年，自动驾驶汽车 5D LiDAR 的全球市场将增长到 4 亿美元。

IDTechEx 使用基于一级市场数据的数学模型来证明 3D 激光雷达的价格将在未来十年内迅速下降。价格预测按波束控制技术细分。资料来源：《激光雷达 2020-2030》IDTechEx 报告

激光雷达的四大基本技术选择

LiDAR 技术领域充斥着每个系统组件的众多选项。IDTechEx 确定了每个 LiDAR 公司必须做出的四项基本技术选择，这些选择对产品性能和业务增长产生了重大影响。

1. 测量过程

测量过程决定了光信号的产生方式和测量方式。大多数激光雷达公司开发传统的TOF技术，但有一个新兴的FMCW激光雷达的趋势。然而，后者的技术准备程度很低，开发调频LiDAR的公司必须获得大量投资和强大的行业合作伙伴关系，以维持其业务，直到产品推出。

2. 激光

必须选择光源和波长。SWIR LiDAR被认为比在较短波长下工作的NIR LiDAR对人类视觉更安全。大多数LiDAR公司开发传统的NIR技术，但有一种趋势是新兴的SWIR LiDAR，因为后者可以在更高的功率下安全运行并检测远处的物体。

对开发106种独特产品的3家156D激光雷达技术供应商的分析表明，市场高度分散。键表示波束控制技术。资料来源：资料来源：《激光雷达 2020-2030》IDTechEx 报告

3. 光束转向机构

激光必须通过光束控制技术进行漫射或扫描才能照亮场景。传统的汽车LiDAR使用旋转机械组件对激光束进行360°扫描，这使得车辆能够使用安装在车顶上的单个LiDAR看到周围。旋转机械激光雷达体积大，价格昂贵，容易发生机械故障。技术趋势是小型、廉价和稳定的模块设计。新兴的光束控制选项包括运动受限的机械系统、基于 MEMS 反射镜的微机械系统和纯固态系统。

固态LiDAR对汽车制造商很有吸引力，因为该传感器是一种紧凑而坚固的设备，可轻松嵌入车辆中。3D闪光激光雷达是一种固态激光雷达，通常像相机一样一次照亮整个场景。这样可以实现无失真的快速成像，但由于激光功率限制，典型的物体检测范围比扫描的LiDAR短。扫描的固态激光雷达有潜力与微机械激光雷达的性能相媲美，但短期内对于量产车辆来说，技术准备程度太低。新兴的固态扫描选项包括基于硅光子学的光学相控阵（OPA）、各种液晶结构以及通过棱镜状光学器件进行波长扫描。

4. 光电探测器

最后，必须决定探测器如何测量反射光。重要的是，光吸收半导体材料必须与激光波长相匹配。单光子敏感探测器是一种新兴技术趋势，它使LiDAR能够快速记录信号并检测来自远处物体的微弱信号。

旋转机械激光雷达通常提供 360° 水平 FOV，但价格昂贵。新兴的激光雷达技术价格较低，但通常视场有限。键表示波束控制技术。资料来源：《激光雷达 2020-2030》IDTechEx 报告

本文基于 IDTechEx 分析师 Nilushi Wijeyasinghe 博士进行的研究，该研究是 IDTechEx 研究总监 Khasha Ghaffarzadeh 博士指导的自动驾驶汽车项目的一部分。

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