ADAS汽车智能化+网联化(下)

2.2.3 智车之“角”：毫米波雷达 毫米波即电磁波，工作频率为 30-300GHz，波长 1-10mm，毫米波雷达测速和测距原理都是 基于多普勒效应，通过入射波和反射波频率相减，得到二者差拍频率，通过判断差拍频率高 低从而判断障碍物距离。

毫米波雷达的可用频段有 24GHz、60GHz、77GHz、79GHz，主流车载毫米波雷达使用 24G Hz （用于中短距离雷达，15-30m）和 77GHz（用于长距离雷达，100-200m），相比于 24GHz，77GHz 毫米波雷达在性能和体积上都更有优势，其探测物体分辨率可提高 2-4 倍，测速和测 距精度可提高 3-5 倍，体积缩小了 1/3，更方便部署，并且带宽更大、功率更高、探测距离更 远，因此未来趋势将逐渐从 24GHz 向 77GHz（76-81GHz）过渡。

毫米波雷达的优势在于不受天气影响，即使是恶劣天气和光照情况下也能正常工作，穿透烟 雾、雨雪、灰尘能力强，具有全天候、全天时的工作特性，且探测距离远、精度较高、被广 泛用于车载距离探测，具体应用包括自适应巡航、碰撞预警、自动紧急制动、盲区探测等。 但劣势同样明显，包括无法识别物体颜色，视场角较小，需要多个雷达组合使用，同时对行 人的反射波较弱，难以识别，并且对金属表面非常敏感，一个弯曲的金属表面会被误认为是 一个很大面积的表面，在隧道里效果不佳。未来随着搭载毫米波雷达车辆增加，相近频率的 毫米波会相互干扰、降低了信噪比、严重时甚至会使雷达“致盲”。

 

图表 59：毫米波雷达工作原理

 

图表 60：毫米波雷达示意图

根据 DIGITIMES Resarch 数据，全球毫米波雷达市场规模保持稳步增长态势，2021 年为 118.1 亿美元，其中中短距 55.1 亿美元，长距 63 亿美元，预计到 2022 年将达到 159. 6 亿美 元，其中中短距 84 亿美元，长距 75.6 亿美元。

根据佐思产研数据，全球汽车毫米波雷达厂商主要为海外厂商，其中博世占比 30%，排名第 1；大陆占比 28%，排名第 2；安波福占比 15%，排名第 3。中国车载毫米波雷达行业起步 较晚，行业仍处于初级发展阶段，走在前列的公司主要有华域汽车、德赛西威、纳瓦电子、 智波科技、森思泰克、华为等。

 

图表 61：2017-2022 年全球毫米波雷达市场规模（亿美元）

 

图表 62：全球汽车毫米波雷达厂商市占率

目前传统毫米波雷达仅可探测距离、方位以及速度三个维度，而最新的 4D 毫米波雷达在传 统功能基础上，多出了高度这一维信息，即具备测高能力，因此可以有效地解析空中的天桥、 路牌，地面的减速带、金属井盖等目标的轮廓和类别，进而感知传统毫米波雷达无法识别的 细小物体、静止物体或者横向移动的障碍物等。此外，还提升了探测距离和点云密度，有望 于 2022 年开启商用。 4D 毫米波雷达成本与传统毫米波雷达相近，但性能方面可媲美低线束激光雷达，在 L4/L5 级 别自动驾驶将可能发挥重要作用，但是目前还处于发展早期，在未来自动驾驶多传感器融合 方案中，至于是否能与激光雷达形成替代关系，目前尚无定论。目前已有多个厂商投入到 4D 毫米波雷达研发中，不仅有大陆、安波福、采埃孚等传统毫米波雷达巨头，也有 Mobiley e、 Waymo、华为等科技巨头，还有 Arbe、傲酷、华域汽车、森思泰克、纵目科技等新兴玩家。

 

图表 63：4D 毫米波雷达探测维度

2.2.4 智车之“角”：激光雷达 激光雷达通过发射激光，然后根据反射激光的时间差来探测物体的距离，探测距离可达 300m ， 工作频率为 100000GHz，波长集中在 600-1000nm 之间，由于其波长短精度高，可以探测 物体距离和表面形状，测量精度可达厘米级。此外，还可用于车辆定位，自动驾驶汽车定位 除了依赖 GNSS 系统，还依赖激光雷达生成的点云与数据库中的高精地图做对比，从而得出 汽车所在精确位置，精度可达厘米级。

激光雷达的优势在于能够很好的探测障碍物的距离、大小、表面形状，提高了障碍物检测的 准确性，算法比摄像头更为简单，抗有源干扰能力强，定向性好，测量距离远，时间短，大 多数整车厂、Tier1 认为激光雷达是 L3 及以上级别自动驾驶必备的传感器。当然也存在一定 劣势，包括在雨雪云雾天气下衰减严重，后期处理需要大量的坐标系转换，对硬件（CP U、 GPU、FPGA）要求高，技术门槛和成本较高。

 

图表 64：激光雷达工作原理

 

图表 65：激光雷达应用：环境感知+定位

激光雷达产业链中，根据盖世汽车数据，上游包括激光发射、激光接收、扫描系统和信息处 理，具体而言，激光发射包括激光器、发射光学系统；激光接收包括光电探测器、接收光学 系统；扫描系统包括旋转电机、扫描镜、MEMS 微振镜；信息处理包括放大器、数模转换、 FPGA。中游则是激光雷达的组装制造。下游应用较为广泛，包括无人驾驶汽车、地图测绘、 无人机、军事领域等。

 

图表 66：激光雷达产业链

 

图表 67：激光雷达核心模块

激光雷达的显性参数包含测远能力、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）等。

图表 68：激光雷达显性参数

 

图表 69：激光雷达产业链主要厂商

 

 

 

不同技术特点对比及趋势：

1）单线与多线

激光雷达按照线数来分，分为单线和多线。单线激光雷达是指激光源发出的线束是单线的，

扫描出来就是一个二维平面的图（2D 激光），目前主要应用于机器人领域，以服务机器人居

多，可以帮助机器人规避障碍物。相比多线激光雷达，单线激光雷达在角频率及灵敏度上反

应更快捷，扫描速度快、分辨率强、可靠性高，所以，在测试周围障碍物的距离和精度上都

更加精准，同时成本更低。但单线雷达只能平面式扫描，不能测量物体高度，当前主要应用

于我们常见的扫地机器人、送餐机器人以及酒店服务机器人身上。

多线激光雷达是指同时发射及接收多束激光的激光旋转测距雷达，市场上目前有 4 线、8 线、16 线、32 线、64 线、96 线、128 线等，多线激光雷达可以识别物体的高度信息并获取周围环境的 3D 扫描图，主要应用于无人驾驶领域，对于激光雷达而言，线束越多，对目标物的刻画越详细。

在无人驾驶领域，多线激光雷达主要有以下两个核心作用：

3D 建模及环境感知：通过多线激光雷达可以扫描到汽车周围环境的 3D 模型，运用相关算法对比上一帧及下一帧环境的变化，能较为容易的检测出周围的车辆及行人。

SLAM 定位加强：同步建图（SLAM）是其另一大特性，通过实时得到的全局地图与高精度地图中的特征物进行比对，能加强车辆的定位精度并实现自主导航。

对于激光雷达而言，视场角（Field Of View，FOV）越大，能够探测的范围越广。多线激光

雷达中，机械式水平视场角为 360°，混合固态/固态激光雷达水平视场角大约为 120°，垂直视场角大约为 25°-40°。

 

图表 71：单线（2D）激光雷达原理

 

图表 72：多线（3D）激光雷达光线图

 

图表 73：单线扫描 VS 多线扫描

 

图表 74：水平与垂直视场角（FOV）

2）ToF 与 FMCW 激光雷达按照测距方法的不同，可以分为飞行时间（Time of Flight，ToF）测距法、基于相干 探测的 FMCW 测距法以及三角测距法等，其中 ToF 与 FMCW 在室外阳光下探测距离远 （100~250m），更适合应用于车载激光雷达。目前市场车载中长距激光雷达的主流方案是 ToF，FMCW 激光雷达大多处于概念机的阶段，而且大多采用分立的光学组件，分立组件通 常尺寸较大，随之而来的还有系统可靠性、生产成本、功耗等诸多问题，但 FMCW 激光雷达 具有可直接测量速度信息以及抗干扰（包括环境光和其他激光雷达）的优势。当前装载激光 雷达车辆并不多，随着激光雷达渗透率提升，FMCW 抗干扰的优势就体现出来，此外整机和 上游产业链日渐成熟亦将带动成本下降，因此 FMCW 激光雷达是未来发展的一大趋势。

图表 75：ToF 与 FMCW 性能对比

 

3）EEL 与 VCSEL

对于激光雷达而言，发射光源有很多种，按工作介质不同，激光器分为固体激光器、气体激 光器、染料激光器、半导体激光器、光纤激光器和自由电子激光器 6 种。固体脉冲功率大， 转换效率最低（10%）。气体激光器效率低（20%）、功率低，体积庞大，但是可靠性好、光 束质量高。半导体激光器光束质量较差，但是转换效率高（30%-40%），功耗、体积和成本 都适合车载应用。如果对光束质量要求高，则可以采用半导体泵浦的光纤激光器（转换效率 20%-30%）。目前常见的几种光源主要包括边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激 光器 (VCSEL)、固体激光器以及光纤激光器等。

固体激光器采用固体激光材料作为增益介质，是闪光式车载激光雷达(Flash LiDAR)技术路线 的激光光源方案，能够实现大角度视场（如 125°x 25°），并且均匀照射，满足车规级高低温、 震动、寿命等可靠性要求，常见于闪光式车载激光雷达（Flash LiDAR）。

半导体激光器采用半导体材料作为增益介质，一般是 GaAs, AlGaAs, InGaAs 等，常见的有 EEL 和 VCSEL。EEL（Edge Emitting Laser）是边发射激光器，是一种激光发射方向平行于 晶圆表面的半导体激光器，波长以 905nm 为主，常见于扫描式激光雷达，包括机械式和 MEMS 激光雷达。VCSEL（Vertical-cavity Surface-emitting Laser）是垂直腔面发射激光器，是一 种以半导体为基础的激光二极管，从其顶面垂直发射高效光束，制造工艺与 EEL 相兼容，且 大规模制造的成本很低，生长结构更易于提高输出功率，还为各种复杂设计提供了可能，当 前波长以 810nm、850nm 和 940nm 为主。

光纤激光器采用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质，一般用作 1550nm 激光雷达光源，1550 nm 配合调频连续波（FMCW）的技术，不仅可以检测距离，同时可以利用多普勒频移来测 量物体的速度。 传统的 VCSEL 激光器存在发光密度功率低的缺陷，导致只在对测距要求近的应用领域有相 应的激光雷达产品（通常小于50米）近年来国内外多家 VCSEL 激光器公司纷纷开发了多层结 VCSEL 激光器，将其发光功率密度提升了 5~10 倍，这为应用 VCSEL 开发长距激光雷达提 供了可能，此外 VCSEL 体积小，结合其平面化所带来的生产成本和产品可靠性方面的收益，

VCSEL 未来将有望逐渐取代 EEL。

 

图表 76：EEL/VCSEL/光纤激光器对比

目前 EEL 仍占据主流，根据 Yole 数据，2020-2026 年，全球 EEL 市场规模预计将从 29 亿 美元增长到 67 亿美元，CAGR 为 15%。其中光通信规模最大，预计将从 17 亿美元增长到 47 亿美元，CAGR 为 18%；显示、传感、医疗和照明领域预计将从 5 亿美元增长到 12 亿美 元，CAGR 为 15%。

 

图表 77：2020-2026 年 EEL 市场规模（分应用领域）

根据麦姆斯咨询数据，VCSEL 下游各应用领域中，传感占比最大，为 75%，其次是通信， 占比 24%，此外还包括制造领域的工业热处理、激光打印，以及计时领域的原子钟等。对于 传感应用的 VCSEL，2021 年市场规模为 10.3 亿美元，在手机、汽车等下游需求拉动下，预 计到 2024 年将增长至 17.3 亿美元。