旋转机

北拓研究3D激光雷达全面落地,加速量产

发布时间:2023/2/7 17:36:29   
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作者

张椿洋、韩哲力

来源

北拓资本数字化基建组

D激光雷达的工作原理与优缺点

1工作原理

原子受激辐射的光,被称为激光。原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到髙能级,再从高能级回落到低能级的时候,能量以光子的形式释放出。被引诱出来的光子束,其光子的光学特性高度一致。因此激光相比普通光源单色性、方向性好,亮度更高。

激光雷达的工作原理是向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成,激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去,光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲。

评价激光雷达的显性参数主要包含测远能力、点频、角分辨率、视场角范围、测距精准度、功耗、集成度(体积及重量)。

北拓资本整理《固态激光雷达研究进展》

发射光源一般nm半导体激光器和nm光纤激光器。大多激光雷达公司都使用nm光源,nm方案一般采用边缘发光(EEL)技术或垂直腔面发射激光器(VSCEL)技术,因nm光源可能伤害人眼,为满足Class-A安全要求,nm光源的发射功率相对受限。nm光源功率更大,穿透能力强,探测距离长,但受制于成本目前未能普及,据产业链调研,nm光源成本一般在美元以内,nm光纤激光器成本在0美元左右。

资料来源:《禾赛科技招股说明书》

测距方式主要为ToF和FMCW。ToF测距方式通过记录激光发射和接收的时间差,再乘以光速计算出距离。FMCW利用发射频率变化的连续波,利用频率差、多普勒效应,确定物体位置,测量物体速度。FMCW具有探测距离远、灵敏度高、抗干扰能力强、成本低、功耗低等优势,但目前技术门槛极高,对系统集成、信号处理算法方面要求严格,还未实现大规模量产。

接收端包括APD和SPAD。APD(雪崩二极管)为典型的光电转换模块,技术较为成熟。SPAD(单光子雪崩二极管)阵列效率比传统的APD高,可实现低激光功率下远距离探测,并降低系统功耗和减小体积,但电路设计和制造工艺方面还有难题需要克服。

从扫描方式来看,激光雷达可以分为两大类:机械式激光雷达和固态激光雷达。机械式激光雷达采用机械旋转部件作为,可以实现大角度扫描,但装配困难、成本较高。固态激光雷达目前的实现方式包括MEMS、Flash、OPA及棱镜技术。

2优缺点

相比于普通微波雷达,其优点是分辨率高、隐蔽性强、抗干扰能力强、体积小质量轻。其缺点在于:第一,生产成本较高,这是制约其在车企或机器人企业大规模部署的主要因素;第二,受天气因素影响大,信号在大雨、浓烟、浓雾时衰减很大;第三,激光波束窄,只能探测波束扫到的较小范围内搜索捕获目标,目前主要应对措施是采用机械旋转和动态扫描两种方式来增大探测范围,机械旋转是汽车上最受欢迎的方式,最先进的激光雷达系统则采用多光束的方式来减少移动结构。

激光雷达可以弥补现有传感器的不足,融合多类型传感器,高阶自动驾驶必须要做多传感器的融合,3D激光雷达技术可以做到3D数据的输入输出,包括距离、位置、宽度等数据,且精度高。虽然目前价格昂贵,但是50家获加州DMV路测牌照AV公司中,96%认为激光雷达是必需的零部件。

D激光雷达应用场景

激光雷达的应用场景较多,主要集中在车辆(L4和L5自动驾驶)、港口、封闭式码头、矿区、物流园区、工业车辆、智慧农业(国家重点

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