華為車規(guī)級激光雷達(dá)深度報告

  華為12月首次面向行業(yè)正式發(fā)布車規(guī)級高性能激光雷達(dá)產(chǎn)品和解決方案。這是一款96 線中長距激光雷達(dá)產(chǎn)品，可以實現(xiàn)城區(qū)行人車輛檢測覆蓋，并兼具高速車輛檢測能力，更符合中國復(fù)雜路況下的場景。華為的激光雷達(dá)產(chǎn)品在性能與可靠性方面都滿足車規(guī)級要求，依托在光通訊領(lǐng)域積累的精密制造能力以及先進(jìn)工藝裝備實驗室，華為快速建立了第一條車規(guī)級激光雷達(dá)的第一條Pilot 產(chǎn)線，已按照年產(chǎn)10 萬套/線推進(jìn)產(chǎn)能，以適應(yīng)未來大規(guī)模量產(chǎn)需求。

  激光雷達(dá)的市場格局

  市場總量：根據(jù)咨詢機(jī)構(gòu) Yole 的數(shù)據(jù)，在 2020 年，全球激光雷達(dá)出貨量大約為 34 萬個，用于智能駕駛的大約 20萬個;全球激光雷達(dá)的銷售額約 12.95 億美元，智能駕駛相關(guān)的銷售額大約為 9500 萬美元。

  至 2025 年，全球激光雷達(dá)的出貨量有望達(dá)到 470 萬個，其中用于智能駕駛的大約 340 萬個;全球激光雷達(dá)銷售額有望達(dá)到 61.9 億美元，智能駕駛相關(guān)的銷售額大約為 15.35 億美元。

  主要玩家：激光雷達(dá)目前國外巨頭主要是 Velodyne、Ibeo 和 Quanergy 三家。國內(nèi)除華為外，還有禾賽科技、速騰科技、鐳神、一徑科技、思嵐科技等。著名無人機(jī)企業(yè)大疆內(nèi)部孵化的 Livox 于 2020 年發(fā)布了兩款激光雷達(dá)產(chǎn)品，售價分別為 6499 元和 9000元，線數(shù)分別等效于傳統(tǒng) 64 線和 128 線。

  車載激光雷達(dá)的定位：華為汽車業(yè)務(wù)在“云-管-端”的架構(gòu)下，發(fā)力智能駕駛、智能網(wǎng)聯(lián)、智能座艙、智能電動、智能車云五大模塊，其中智能駕駛對應(yīng)“端”。智能駕駛的工作原理是通過激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等感知層硬件來探測汽車周圍的環(huán)境，獲取數(shù)據(jù)后傳輸至決策層進(jìn)行處理判斷，最后由執(zhí)行層硬件具體控制車輛的行駛活動。

  激光雷達(dá)是智能駕駛感知層的的關(guān)鍵傳感器，是目前實現(xiàn) 3D 空間建模的必備硬件。相比于毫米波雷達(dá)和攝像頭，激光雷達(dá)在目標(biāo)輪廓測量、角度測量、光照穩(wěn)定性、通用障礙物檢出等方面都具有出色的性能表現(xiàn)。

  華為激光雷達(dá)定位前裝量產(chǎn)：華為激光雷達(dá)產(chǎn)品的研發(fā)始于 2016 年，在調(diào)研主流車企對激光雷達(dá)產(chǎn)品的需求后，華為明確了研發(fā)攻關(guān)方向，即做一款性能優(yōu)越，符合車規(guī)級標(biāo)準(zhǔn)，能夠大規(guī)模前裝量產(chǎn)的激光雷達(dá)。在研發(fā)過程中，華為的激光雷達(dá)首先具體分析了實際行駛過程中的難點場景，比如地庫場景、隧道場景等;然后，華為進(jìn)一步明確了激光雷達(dá)的規(guī)格定義，對測距規(guī)格、水平 FOV 和垂直 FOV 規(guī)定了性能要求;最后，華為考慮了激光雷達(dá)實際安裝適配的問題，對安裝數(shù)量、安裝位置、環(huán)境適應(yīng)性問題制定了具體的解決方案。

  華為激光雷達(dá)產(chǎn)品實現(xiàn)了性能、成本、可靠性三方面的平衡。

  在前文中我們已經(jīng)提到，按掃描方式劃分，激光雷達(dá)可分為 MEMS、Flash、相控陣、機(jī)械旋轉(zhuǎn)式四類。根據(jù)2020年世界知識產(chǎn)權(quán)組織對華為激光雷達(dá)技術(shù)專利的披露，華為的產(chǎn)品應(yīng)該屬于 MEMS 激光雷達(dá)，并且采用多線程微振鏡激光測量模組技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。

  MEMS 激光雷達(dá)的特征：MEMS 激光雷達(dá)與機(jī)械激光雷達(dá)相比，有三大優(yōu)勢。

  1)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化：微振鏡幫助 MEMS 激光雷達(dá)拜托了馬達(dá)、多棱鏡等機(jī)械裝置，毫米級尺寸的微振鏡縮減了激光雷達(dá)的尺寸;

  2)成本降低：微振鏡的引入可以有效降低激光器和探測器的需求數(shù)量，機(jī)械激光雷達(dá)的發(fā)射模組數(shù)量與線數(shù)完全同步，但是 MEMS 僅需一束激光光源就可以通過微振鏡反射來實現(xiàn)多線數(shù)的效果;

  3)分辨率高：MEMS 微振鏡可以精確控制光線角度，而機(jī)械激光雷達(dá)僅可以調(diào)整馬達(dá)轉(zhuǎn)速。同時，MEMS 激光雷達(dá)由于只采用一組激光發(fā)射和接收裝置，激光功率較低，也存在著信噪比較低、有效距離較短和 FOV 較窄的問題。

  激光雷達(dá)是 L3-L5 級別智能駕駛的核心零部件，從 L3 級別開始應(yīng)用，部分外資廠商生產(chǎn)的 64 線激光雷達(dá)價格高達(dá) 8 萬美元。華為的 96 線激光雷達(dá)目前的成本大約在數(shù)百美元，未來計劃將成本壓縮至 200 美元。

  目前常見的車載激光雷達(dá)都是置于車頂，在華為的智能駕駛解決方案中，每輛車需要大約3 個激光雷達(dá)，將分布在車頭前格柵處和車前左右兩側(cè)輪眉上方。

  華為激光雷達(dá)產(chǎn)品實現(xiàn)了功率與成本的平衡：華為針對 MEMS 激光雷達(dá)功率較低的問題，采用多線程微振鏡激光測量模組技術(shù)做了改進(jìn)。華為借鑒了機(jī)械激光雷達(dá)的做法，采用了多個發(fā)射和接收組件，利用 MEMS 振鏡的垂直掃描密度易于控制的優(yōu)點，使同線數(shù)下的華為產(chǎn)品所含有的激光發(fā)射接收模組的數(shù)量處于機(jī)械激光雷達(dá)和 MEMS 激光雷達(dá)之間，在提升功率和控制成本之間實現(xiàn)了平衡。

  華為的這種技術(shù)模式可以快速推出多種用途的激光雷達(dá)，適應(yīng)不同的市場需求。華為的激光雷達(dá)定位為中距激光雷達(dá)，最遠(yuǎn)可達(dá)到大約 150 米的探測距離，其水平視野可達(dá)到FOV120 度的視角 。

  華為重構(gòu)了激光雷達(dá)的核心部件：得益于 ICT 領(lǐng)域光學(xué)設(shè)計、信號處理、整機(jī)工程等長期積累，華為重構(gòu)了激光雷達(dá)的核心部件，包括發(fā)送模塊，接收模塊和掃描器。

  比如：華為選擇微轉(zhuǎn)鏡掃描器架構(gòu)，不是簡單的做微轉(zhuǎn)鏡，而是解構(gòu)了電機(jī)、軸承等關(guān)鍵部件，通過精準(zhǔn)的掃描控制，提升點云精度的穩(wěn)定性與一致性;收發(fā)端華為通過精準(zhǔn)的光路控制，精巧的電路設(shè)計來提升收發(fā)模塊的光電轉(zhuǎn)換效率。

  華為激光雷達(dá)產(chǎn)品的可靠性滿足多項車規(guī)級要求：華為車載激光雷達(dá)的可靠性不僅來源于車規(guī)級器件選型、還依賴整體架構(gòu)設(shè)計以及海量可靠性測試驗證。電機(jī)作為核心部件，車規(guī)能力一直是行業(yè)關(guān)注的重點，華為憑借了 20 年深厚的機(jī)電能力積累和 25 億次電機(jī)可靠性測試經(jīng)驗，設(shè)計了滿足車規(guī)要求的激光雷達(dá)掃描電機(jī)。

  此外，針對車規(guī)要求的高低溫濕熱，水壓、振動、鹽霧、人眼安全、EMC(電磁兼容)、碎石沖擊等場景，華為都嚴(yán)格按照 ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，甚至基于 TOP 車企的特殊要求，做了更加嚴(yán)苛的測試。華為有信心成為全球第一個真正車規(guī)的高線束激光雷達(dá)的供應(yīng)商。

  華為激光雷達(dá)具有強(qiáng)大的清洗與加熱功能：在激光雷達(dá)被臟污覆蓋的場景下，可使用智能清洗系統(tǒng)，華為做了大量測試來驗證不同的噴嘴、不同的位置、不同水壓的清洗效果。由于行駛過程中也需要清洗，為了很好地測試這個場景，華為自主設(shè)計了智能清洗風(fēng)洞系統(tǒng)，模擬在 130km/h 下清洗能力，然后再測試不同的噴嘴和壓力對清洗效果的影響，得到寶貴的一手?jǐn)?shù)據(jù)。除了智能清洗系統(tǒng)外，華為也開發(fā)了智能加熱系統(tǒng)。在被霜、霧、凝露、薄冰覆蓋的場景，激光雷達(dá)內(nèi)置的智能加熱系統(tǒng)會自動啟動。

  華為激光雷達(dá)產(chǎn)品有望配套長安、北汽：在 2020 年廣州車展前，長安汽車董事長宣布，將攜手華為、寧德時代，一起打造高端智能汽車品牌。在其公布的長安方舟架構(gòu)中，將預(yù)留 36 個傳感器，其中包含 5 個激光雷達(dá)。

  在 2020年 11 月的“互聯(lián)網(wǎng)汽車烏鎮(zhèn)夜話”論壇上，北汽 ARCFOX BU 總裁透露，北汽和華為聯(lián)合打造了 ARCFOX 極狐最新款產(chǎn)品 HBT。新車搭載 3 顆 96 線激光雷達(dá)、6 個毫米波雷達(dá)、12 個攝像頭、13 個超聲波傳感器，華為提供的芯片算力達(dá)到 352 萬億次每秒。

  華為激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈布局：華為哈勃在激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈上主要投資了分別為縱慧芯光(VCSEL 芯片)、炬光科技(激光雷達(dá)發(fā)射端)、南京芯視界(SPAD)、裕太微電子(汽車以太網(wǎng) PHY)。

  1)縱慧芯片的產(chǎn)品 VCSEL 芯片是激光雷達(dá)的光源。作為一種光電半導(dǎo)體，VCSEL 廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、數(shù)據(jù)通信、激光雷達(dá)等領(lǐng)域?？v慧芯片同時也是華為手機(jī) ToF 光源的主要供應(yīng)商，自有 6 寸外延產(chǎn)線。

  2)南京芯視界的產(chǎn)品有單光子雪崩二極管 SPAD(接收器)，SPAD 對光具有高敏感度，裝配 SPAD 的激光雷達(dá)可以準(zhǔn)確探測低反射率的物體，例如暗色著裝的行人等。

  3)裕太微的主要產(chǎn)品是汽車以太網(wǎng) PHY 芯片，汽車以太網(wǎng)也是新型汽車電子電器架構(gòu)的主干網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng) PHY 不止用在激光雷達(dá)中傳輸點云數(shù)據(jù)，在毫米波雷達(dá)、智能座艙、自動駕駛域控制器上均有應(yīng)用。

  華為里程碑：華為早在 2014 年就成立了“車聯(lián)網(wǎng)實驗室”，致力于汽車互聯(lián)化、智能化、電動化和共享化的技術(shù)創(chuàng)新，延伸華為“端、管、云”的 ICT 能力，面向智能網(wǎng)聯(lián)電動汽車的應(yīng)用場景儲備技術(shù)。2019 年 5 月華為正式成立智能汽車解決方案 BU，進(jìn)一步明確了自身的定位和業(yè)務(wù)邊界：華為不造車，聚焦 ICT 技術(shù)，提供智能網(wǎng)聯(lián)汽車增量部件，幫助車企造好車。如今，華為自主研發(fā)的激光雷達(dá)產(chǎn)品正式發(fā)布，是華為在智能駕駛感知層零部件的重大突破，構(gòu)成了華為汽車業(yè)務(wù)體系的重要一環(huán)。

  激光雷達(dá)的性能優(yōu)勢：分辨率高，信號精度高，3D 空間建模

  各類傳感器的性能優(yōu)劣：智能駕駛感知層的主要硬件有攝像頭、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)，其中激光雷達(dá)性能最優(yōu)、成本最高，是目前實現(xiàn) 3D 空間建模的必備硬件。這三種感知硬件可以同時使用，通過卡爾曼濾波算法實現(xiàn)融合傳感：

  1) 攝像頭是視覺影像處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，適用于目標(biāo)分類，比如交通信號燈分類、車道檢測等，探測精度一般，可實現(xiàn)車道偏離預(yù)警、全景泊車等較為基礎(chǔ)的 ADAS 功能;

  2) 毫米波雷達(dá)的波長介于厘米波和光波之間，兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點，能夠大范圍檢測車輛的運行情況，可實現(xiàn)自適應(yīng)巡航、自動緊急剎車等 ADAS 功能;

  3) 激光雷達(dá)性能最優(yōu)，分辨率高，精度極高，抗有源干擾能力強(qiáng)，可以通過點云數(shù)據(jù)實現(xiàn) 3D 空間建模，即使在夜間仍能準(zhǔn)確檢測障礙物。

  各類傳感器的價格與用量：車載攝像頭的價格近年來持續(xù)走低，2010 年市場價大約 300 元，2014 年降至大約 200元，目前部分車載攝像頭價格已低至 100 元以內(nèi)，要實現(xiàn)全套 ADAS 功能，單車至少需要配備 5 個攝像頭。

  毫米波雷達(dá)按頻率劃分主要有 24GHZ 和 77GHZ 兩種，價格分別大約為 500 元和 1000 元,要實現(xiàn)全套 ADAS 功能一般至少需要“1 長+4 短”共 5 個毫米波雷達(dá)。

  激光雷達(dá)的原理：激光雷達(dá)(LiDAR, Light Detection and Ranging)是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱，是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)，由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、掃描系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)等組成。

  其工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測信號(激光束)，然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號(目標(biāo)回波)與發(fā)射信號進(jìn)行比較,作適當(dāng)處理后,即可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息,如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù),從而實現(xiàn)對目標(biāo)進(jìn)行探測、跟蹤和識別。激光雷達(dá)生成的通常是點云數(shù)據(jù)。

  四個系統(tǒng)，九個指標(biāo)：從激光雷達(dá)內(nèi)部的運轉(zhuǎn)流程來看，可以劃分為四大系統(tǒng)。

  1)激光發(fā)射系統(tǒng)：激勵源驅(qū)動激光器按一定周期發(fā)射激光脈沖，激光調(diào)制器通過光束控制器對激光的方向和線數(shù)進(jìn)行調(diào)試，然后通過發(fā)射系統(tǒng)將激光射向目標(biāo);

  2)激光接收系統(tǒng)：光電探測器接受目標(biāo)物體反射回來的激光，產(chǎn)生接收信號;3)信息處理系統(tǒng)：接收信號經(jīng)過放大處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換，由信息處理模塊進(jìn)行分析計算，獲取目標(biāo)表面形態(tài)、物理屬性等數(shù)據(jù)并建立 3D 空間模型。

  4)掃描系統(tǒng)：以穩(wěn)定的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時對所在平面的掃描，獲取實時的平面圖信息。此外，一款激光雷達(dá)的性能具體可以從九個維度去做評估。

  激光雷達(dá)的分類：激光雷達(dá)集激光、全球定位系統(tǒng)(GPS)、和 IMU(慣性測量裝置)三種技術(shù)于一體，具有廣泛的應(yīng)用場景，可以按照功能用途、工作介質(zhì)、激光發(fā)射波形、探測方式、線數(shù)、掃描方式、載荷平臺等方式進(jìn)行多種分類。

  激光雷達(dá)的五項關(guān)鍵技術(shù)

  測距技術(shù)：激光雷達(dá)主要有兩種測距方法，一種是基于時間的測量方法飛行時間法(TOF)，主要有脈沖式和三角式);另一種是不基于時間的測量方法，主要是相位式和調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)。

  1)脈沖式，也叫直接式，通過公式距離=光速 X 激光往返時間/2 即可測得目標(biāo)距離。

  2)三角式，也叫間接式，將光源、被測物、接收系統(tǒng)三點組成一個三角形光路，接收系統(tǒng)接收來自于被測物面的散射光，并將其成像在光電探測器敏感面上，通過光點在敏感面上的位移，從而計算出被測物的移動距離。

  3)相位式，將一調(diào)制信號對激光光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，通過測量相位差來間接測量往返時間，計算公式為距離=信號波長/2X 相位差/(2 π)。

  4)調(diào)頻連續(xù)波，通過比較反射信號與發(fā)射信號頻率的方法來得到目標(biāo)的距離信息。脈沖式和三角式難度較大，精度也較低，相位式適用于終端距離測量，是目前精度最高的一種方式。

  發(fā)射技術(shù)：激光的發(fā)射需要激光發(fā)射器與透鏡系統(tǒng)協(xié)同完成。

  1)激光發(fā)射器有半導(dǎo)體激光器、固體激光器、光纖激光器和二氧化碳?xì)怏w激光器四種類型。無人駕駛大多采用半導(dǎo)體激光器，分為激光由邊緣發(fā)出的邊發(fā)射激光器(EEL)和激光垂直于頂面的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。垂直腔面發(fā)射激光器，其出射光束圓形對稱，光能轉(zhuǎn)換效率高，光源具有高度一致性和高指向性等優(yōu)點，被業(yè)界看好。

  2)透鏡系統(tǒng)，一般由準(zhǔn)直鏡、擴(kuò)束鏡和輔助光學(xué)系統(tǒng)組成。準(zhǔn)直鏡是為了解決激光器準(zhǔn)直輸出問題，擴(kuò)束鏡為了解決激光發(fā)散角問題，而輔助光學(xué)系統(tǒng)為了解決激光束偏振太難控制、光隔離等問題。

  掃描技術(shù)：激光雷達(dá)的掃描技術(shù)直接關(guān)系到 3D 空間模型的搭建，可以分為掃描式和 Flash 面陣式兩種。

  1)掃描式激光雷達(dá)具體有三種技術(shù)路徑可以實現(xiàn)：機(jī)械式掃描是將激光雷達(dá)安裝在車頂以一定的速度旋轉(zhuǎn)，在水平方向采用機(jī)械 360°旋轉(zhuǎn)掃描，在垂直方向采用了定向分布式掃描;MEMS(微電機(jī)系統(tǒng))微鏡是把所有機(jī)械部件集成到單個芯片上，利用半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)，以電的方式來控制光束;固態(tài)掃描，采用光學(xué)相控陣(OPA)技術(shù)，由元件陣列組成，通過控制每個元件發(fā)射光的相位和振幅來控制光束。

  2)Flash 面陣式，用激光器同時照亮整個場景，對場景進(jìn)行光覆蓋，一次性實現(xiàn)全局成像。目前 MEMS 和 Flash 技術(shù)越來越受到激光雷達(dá)廠商的重視，有望逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械式激光雷達(dá)。

  探測技術(shù)：目前有兩種主流的探測技術(shù)，即直接探測法與相干探測法。

  1)直接探測法，利用探測器的光電轉(zhuǎn)換功能直接實現(xiàn)對光信號的信息解調(diào)，系統(tǒng)簡單但是精度較低;

  2)相干探測法，額外添加一路激光輸出，對信號進(jìn)行混頻分析，靈敏度和精度較高，但是系統(tǒng)比較復(fù)雜。激光探測的核心器件是光電探測器，能把光能轉(zhuǎn)換成一種便于測量(電壓或電流)物理量的半導(dǎo)體器件，主要有 PIN 光電二極管、雪崩二極管(APD)、單光子雪崩二極管(SPAD)和硅光電倍增管(SiPM)等。

  數(shù)據(jù)處理技術(shù)：激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)是對信號進(jìn)行分析計算，完成三維圖像重構(gòu)。目前主要采用大規(guī)模集成電路和計算機(jī)完成，可利用 FPGA 技術(shù)(Field Programmable Gate Array)和高速 DSP 等完成。

  我們認(rèn)為，華為入局對國內(nèi)智能汽車生態(tài)整體利好，有望發(fā)揮現(xiàn)有手機(jī)電子算法優(yōu)勢，結(jié)合資金、人才優(yōu)勢，將原來掌握在國際巨頭谷歌、英偉達(dá)、Velodyne 等手中的智能汽車關(guān)鍵要素國產(chǎn)化，同時帶動產(chǎn)業(yè)鏈上游硬件企業(yè)、產(chǎn)業(yè)鏈軟件合作企業(yè)的蓬勃發(fā)展。