芯耀
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隨著各車企在智能駕駛領(lǐng)域的競爭不斷加強，越來越多新技術(shù)在汽車上得以搭載，城市NOA作為體現(xiàn)智能駕駛應(yīng)用最為普遍的一個場景，也成為車企技術(shù)追逐的重點。當越來越多車企公布自己的城市NOA方案后，可以發(fā)現(xiàn)一個很明顯的趨勢，那便是城市NOA似乎都需要激光雷達進行輔助，雖然曾一直高呼“純感知”的技術(shù)路線，但也不得不承認激光雷達的“真香”定律。
就如比亞迪的天神之眼智駕系統(tǒng)，其天神之眼A與天神之眼B均搭載了激光雷達，且功能更為強大的城市之眼A更是搭載了3個激光雷達，以實現(xiàn)全國無圖導(dǎo)航（即在無預(yù)先加載地圖情況下的導(dǎo)航駕駛）和四方泊車功能，為何城市NOA離不開激光雷達？
基于激光雷達的自動駕駛解決方案
激光雷達基于激光束的發(fā)射與接收，通過測量激光脈沖從發(fā)射到目標反射返回所需的時間或相位差，精確計算出物體的距離。這一技術(shù)利用激光在空氣中的傳播速度以及激光器與接收器的協(xié)同工作，生成大量的三維點云數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建出高精度的三維環(huán)境模型。由于激光雷達能夠直接輸出物體的距離和角度信息，因此相比傳統(tǒng)的攝像頭，其在弱光、強光以及惡劣天氣條件下表現(xiàn)更為穩(wěn)定，并且大大減少了對復(fù)雜圖像處理和深度學(xué)習(xí)算法的依賴。正是這些優(yōu)點，使得激光雷達成為自動駕駛系統(tǒng)中不可或缺的核心傳感器，為車輛在復(fù)雜道路環(huán)境中實現(xiàn)精準定位與高效路徑規(guī)劃提供了強有力的技術(shù)支撐。
激光雷達在實際應(yīng)用中，根據(jù)掃描方式、線束數(shù)量、測距原理及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等維度可以劃分為不同類別。傳統(tǒng)的機械式激光雷達采用發(fā)射系統(tǒng)與接收系統(tǒng)整體旋轉(zhuǎn)，通過360度掃描構(gòu)建環(huán)境模型，雖然這種技術(shù)測距距離較遠且技術(shù)成熟，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機械部件壽命有限以及裝配調(diào)試工藝要求高，使得成本較高且難以實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。
為了解決這些問題，混合固態(tài)激光雷達應(yīng)運而生，其核心在于利用微動器件替代傳統(tǒng)的機械掃描，通過諸如MEMS振鏡、轉(zhuǎn)鏡和棱鏡式的方案實現(xiàn)激光束的掃描。其中，MEMS振鏡技術(shù)因體積小、成本低而受到關(guān)注，但受限于振鏡轉(zhuǎn)動角度的不足，往往需要多臺設(shè)備拼接使用；轉(zhuǎn)鏡式技術(shù)則因其良好的穩(wěn)定性和可靠性成為當前的主流選擇；而棱鏡式激光雷達則在提高探測精度和距離上具有獨特優(yōu)勢，但機械結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。隨著技術(shù)不斷進步，純固態(tài)激光雷達憑借完全無機械運動部件的特點，通過光學(xué)相控陣（OPA）或閃光（Flash）方式實現(xiàn)掃描，結(jié)構(gòu)更加簡單、體積更小且耐用性大幅提升，將逐步成為未來車載以及消費級產(chǎn)品的主流發(fā)展方向。
在自動駕駛系統(tǒng)中，激光雷達、攝像頭、毫米波雷達和超聲波雷達通常共同構(gòu)成多傳感器融合感知系統(tǒng)。攝像頭在識別物體顏色、紋理以及細節(jié)信息方面具有天然優(yōu)勢，但受環(huán)境光線變化的影響較大，需要依賴深度學(xué)習(xí)算法進行圖像處理。毫米波雷達則具有較強的穿透能力和抗干擾能力，但其分辨率和測距精度往往無法滿足高精度環(huán)境建模的需求。相比之下，激光雷達憑借高距離精度、高角度分辨率及低延遲等特性，可以在復(fù)雜場景下穩(wěn)定提供詳細的三維環(huán)境數(shù)據(jù)，為自動駕駛系統(tǒng)構(gòu)建準確的道路場景和物體邊界提供了極為關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持。這種直接獲取精確距離和角度信息的優(yōu)勢，使得激光雷達在提升自動駕駛系統(tǒng)安全性和響應(yīng)速度方面具有不可替代的作用。
為何城市NOA離不開激光雷達？
城市NOA（城市導(dǎo)航輔助駕駛）離不開激光雷達，主要原因在于其在復(fù)雜城市交通場景中的獨特技術(shù)優(yōu)勢。與高速公路等相對規(guī)則的駕駛環(huán)境不同，城市道路場景存在大量如行人、非規(guī)則障礙物、交通標志、靜態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施和其他車輛等動態(tài)且不可預(yù)測的因素。激光雷達通過高密度的三維點云數(shù)據(jù)，能夠在復(fù)雜的城市環(huán)境中實時捕獲周圍物體的位置、形狀和動態(tài)信息，構(gòu)建高精度的3D環(huán)境模型。相比攝像頭、毫米波雷達等其他感知設(shè)備，激光雷達具備更高的精度和更強的環(huán)境適應(yīng)性，可以為城市NOA提供更可靠的環(huán)境感知數(shù)據(jù)，顯著降低感知系統(tǒng)誤判或漏判的風(fēng)險。
激光雷達在識別非規(guī)則障礙物方面具有無可替代的優(yōu)勢。在城市交通環(huán)境中，不規(guī)則障礙物的種類繁多，這些目標的形狀和反射特性各異。攝像頭通常需要通過深度學(xué)習(xí)算法來識別物體類別，但在陰影、強光或夜晚等光照條件下的可靠性較低。毫米波雷達則更適合探測金屬或規(guī)則形狀的物體，對小型或非金屬物體的反射較差，且分辨率較低。相比之下，激光雷達直接輸出高精度的3D點云信息，無需復(fù)雜的圖像處理，能夠準確、快速地識別不規(guī)則障礙物的位置和形狀，為路徑規(guī)劃和動態(tài)決策提供精準的環(huán)境數(shù)據(jù)支撐。
激光雷達在靜態(tài)與動態(tài)物體的高精度測距能力方面極為重要。城市NOA需要車輛在動態(tài)交通環(huán)境中應(yīng)對頻繁變動的車輛與行人行為，譬如車輛突然變道、行人闖紅燈或騎行者從盲區(qū)突然出現(xiàn)等場景經(jīng)常會出現(xiàn)。在這種場景中，激光雷達能夠以厘米級精度測量物體與車輛之間的距離，并通過連續(xù)的點云幀數(shù)據(jù)快速判斷物體的運動軌跡和速度。這種能力使得車輛在短時間內(nèi)快速完成路徑重規(guī)劃，避免交通事故的發(fā)生。這種高速且精準的環(huán)境感知特性，是攝像頭和毫米波雷達難以單獨實現(xiàn)的，特別是在緊急情況下，激光雷達提供的實時性和高置信度成為保障車輛安全的重要支撐。
激光雷達在復(fù)雜城市場景中的全場景適用性，也進一步鞏固了其在城市NOA系統(tǒng)中的不可替代性。與高速公路不同，城市道路存在大量靜態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施與動態(tài)交通要素，如交通燈、路牌、路沿、樹木和建筑等，環(huán)境高度復(fù)雜且具有隨機性。激光雷達可以通過高角度分辨率的三維建模能力，在高密度交通或復(fù)雜基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境中，清晰區(qū)分不同類型的物體。這種識別與分割能力不僅有助于精準導(dǎo)航，還能有效提升車輛在復(fù)雜場景下的通過能力。
激光雷達在低延遲響應(yīng)與高安全冗余方面的優(yōu)勢，也是城市NOA不可或缺的重要原因。在城市道路中，如行人可能會從視線盲區(qū)突然出現(xiàn)，騎行者可能會因躲避障礙物突然變道，或者前方車輛在擁堵中突然剎車等突發(fā)事件的發(fā)生頻率遠高于高速公路。在這些場景中，車輛必須在毫秒級時間內(nèi)做出決策，低延遲的響應(yīng)直接關(guān)系到交通安全。激光雷達不依賴于環(huán)境光照，能夠在各種天氣和光線條件下輸出穩(wěn)定、可靠的點云數(shù)據(jù)，實時測量環(huán)境變化。這種快速響應(yīng)與高精度感知能力，為自動駕駛決策系統(tǒng)提供了足夠的時間窗口來進行緊急制動、躲避或路徑重規(guī)劃，大大提升了系統(tǒng)的整體安全性。
在多傳感器融合技術(shù)下，激光雷達也承擔了關(guān)鍵的感知冗余角色。實現(xiàn)高級別自動駕駛（L3及以上）的一大難點是如何在單一傳感器失效時，依靠其他傳感器提供足夠的信息冗余來確保系統(tǒng)安全。由于激光雷達與攝像頭、毫米波雷達的感知原理不同，它們在不同場景下的感知特性具有高度的互補性。在視覺受限（如大霧、夜晚或強光）或雷達信號干擾嚴重的情況下，激光雷達依然能夠提供完整且高精度的三維環(huán)境數(shù)據(jù)，成為系統(tǒng)冗余設(shè)計的重要支撐。通過與攝像頭和毫米波雷達的數(shù)據(jù)融合，激光雷達為城市NOA系統(tǒng)提供了多重保障，顯著提升了整體的系統(tǒng)可靠性。
激光雷達在地圖重建和高精度定位中的作用同樣不可忽視。城市NOA不僅僅依靠標準地圖導(dǎo)航，還需要結(jié)合高精度地圖來實現(xiàn)厘米級定位，這對車輛在復(fù)雜城市環(huán)境中的精準行駛至關(guān)重要。激光雷達通過實時掃描周邊環(huán)境，獲取地標性信息（如路沿、標志性建筑或路牌）并與高精地圖中的靜態(tài)地標進行匹配，從而實現(xiàn)車輛的精準定位。這種基于環(huán)境感知的定位方式，不僅在GPS信號弱或失效時提供了關(guān)鍵備份，還能夠動態(tài)更新地圖數(shù)據(jù)，以應(yīng)對城市環(huán)境中基礎(chǔ)設(shè)施的變化。這一能力極大提升了城市NOA系統(tǒng)在復(fù)雜動態(tài)環(huán)境中的魯棒性與可靠性。
激光雷達發(fā)展趨勢
激光雷達看似簡單，卻涵蓋了激光發(fā)射模組、激光接收模組、測時模塊以及控制模塊等多個部分，其中光電系統(tǒng)的成本占據(jù)了整機成本的絕大部分。激光器作為激光雷達的核心部件，涵蓋固體、氣體、染料、半導(dǎo)體及光纖激光器，而在車載應(yīng)用中，常用的激光發(fā)射波長主要為905nm和1550nm。
905nm激光器因具有較低成本和較小體積而被廣泛應(yīng)用，而1550nm激光器則憑借更高的安全性和更遠的探測距離在特定場景中展現(xiàn)出優(yōu)勢。激光接收模組則通過高靈敏度的光電探測器將反射回來的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，為后續(xù)的距離計算提供數(shù)據(jù)支持。此外，測時模塊和控制模塊則對整個激光雷達系統(tǒng)的響應(yīng)速度、數(shù)據(jù)采集和處理能力提出了極高要求。
近年來，得益于芯片化和集成化技術(shù)的發(fā)展，激光雷達的設(shè)計實現(xiàn)了從大量分立元件到少數(shù)高集成芯片的轉(zhuǎn)變，使得系統(tǒng)成本大幅下降。據(jù)統(tǒng)計，與2016年相比，2023年激光雷達單線收發(fā)成本僅為當時的1/20，這種成本的降低無疑為激光雷達在更多細分市場中的普及奠定了堅實基礎(chǔ)。
在激光雷達技術(shù)快速發(fā)展的今天，芯片化設(shè)計也是降低成本和提升性能的核心途徑。通過將傳統(tǒng)上復(fù)雜、分立的激光器控制電路、信號采集轉(zhuǎn)換電路和波形處理電路等功能集成到少數(shù)幾片專用芯片上，不僅大幅減少了系統(tǒng)中的零部件數(shù)量，同時也使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡化和穩(wěn)定。
借助芯片制程的不斷進步，激光雷達實現(xiàn)了類似“摩爾定律”的成本下降效應(yīng)，每隔一段時間產(chǎn)品的性能就能顯著提升，而價格則相應(yīng)降低。集成化程度的提高也使得激光雷達的體積得以大幅縮小，更簡化了生產(chǎn)流程和光學(xué)校準環(huán)節(jié)，從而進一步提高了生產(chǎn)效率。固態(tài)化發(fā)展則代表了激光雷達技術(shù)未來的主流方向。通過取消所有機械運動部件，純固態(tài)激光雷達憑借其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、耐用性高和成本不斷下降的優(yōu)勢，正逐步替代傳統(tǒng)機械式和混合固態(tài)產(chǎn)品，成為車載及消費級產(chǎn)品的重要選擇。盡管當前純固態(tài)技術(shù)在某些方面尚存在一些挑戰(zhàn)，但隨著VCSEL、Flash和OPA等技術(shù)的不斷優(yōu)化，其應(yīng)用前景無疑十分廣闊。
未來，激光雷達將繼續(xù)沿著降本增效、技術(shù)集成和產(chǎn)品多樣化的方向不斷前行。持續(xù)降本和量產(chǎn)化是激光雷達技術(shù)發(fā)展的核心動力，通過芯片化和集成化設(shè)計，激光雷達的生產(chǎn)成本將進一步降低，而生產(chǎn)效率和產(chǎn)品一致性也將得到大幅提升。同時，產(chǎn)品的多樣化與應(yīng)用場景的不斷拓展，使得激光雷達不再局限于自動駕駛領(lǐng)域，在機器人、智慧交通、工業(yè)巡檢和安防監(jiān)控等領(lǐng)域也將發(fā)揮越來越重要的作用。
