汽車產業(yè)正經歷著技術變革和轉型。在此發(fā)展背景下，其中最熱議的話題之一就是向自動駕駛技術方向發(fā)展。汽車制造商或系統(tǒng)供應商能否在市場上長期站穩(wěn)腳跟可能將成為決定性的標準。因此，這對于制造商而言不僅意味著挑戰(zhàn)，同時也為適應未來發(fā)展創(chuàng)造自我定位的機會。目前存在兩種不同的形勢或策略。

一方面，傳統(tǒng)汽車制造商不斷將駕駛輔助系統(tǒng)的功能逐步擴展為半自動駕駛技術。這一趨勢已充分考慮大眾市場的市場條件。在大眾市場可迎合全自動駕駛的最終擴展階段之前，肯定還需要經過幾年的市場發(fā)展時間。因為在公共道路上投入使用之前，除了必須獲得必要的認證之外，還必須充分考慮法律形勢以及公眾的接受程度。德國信息技術、電信和新媒體協(xié)會 (Bitkom) 的一項研究表明：雖然公眾對自動駕駛汽車充滿期待，但仍有超過 70% 以上的受訪者對安全問題有所顧慮。 在自動駕駛技術的探索歷程中,對不同傳感器進行融合以及對光學激光系統(tǒng)進行集成用于環(huán)境檢測的技術已成為核心趨勢。

在中國，自動駕駛的利好已經來臨，3月9日，中國工信部官網公示了《汽車駕駛自動化分級》推薦性國家標準報批稿，擬于2021年1月1日開始實施。此版分級標準基于駕駛自動化系統(tǒng)能夠執(zhí)行動態(tài)駕駛任務的程度，根據(jù)在執(zhí)行動態(tài)駕駛任務中的角色分配以及有無設計運行條件限制，將駕駛自動化分成 0～5 級。業(yè)內認為，對于自動駕駛技術的發(fā)展和大規(guī)模應用落地而言，國家標準的出臺是關鍵的前置條件，明確的分級標準將有助于促進各類自動駕駛汽車的量產與落地進程。

要實現(xiàn)L4，必須有激光雷達、高精度地圖、環(huán)境感知等一系列技術的介入，復雜程度要比L3級高很多。依靠高精度、高可靠性的探測能力，激光雷達基本上被認為是L3～L5級自動駕駛汽車必需的核心傳感器。

根據(jù)MarketsandMarkets預計，自動駕駛等所用激光雷達市場規(guī)模預計將從2019年的8.44億美元增長到2024年的22.73億美元，2019年-2024年的復合年增長率為18.5%。面對如此誘人的巨大蛋糕，各路激光雷達大廠的目標與野心已顯示無疑：開發(fā)可應用于L3/L4的激光雷達，并追求更高的可靠性與安全性，盡快先手搶占市場。

傳感器融合實現(xiàn)必要的安全性

ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) 為復雜的駕駛輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)中有許多必須相互作用的模塊功能。目前，關于哪些系統(tǒng)中的哪些組件可用于實現(xiàn)自動駕駛技術方面正作出突破性的決定。例如自動駕駛需要對其周圍環(huán)境構造出全面的 3D 視圖，因此算法系統(tǒng)才可確定汽車的下一步動作。對周圍環(huán)境構造視圖時，攝像系統(tǒng)、雷達和 LiDAR(光探測和測距)是最核心的傳感器技術。目前通常將 LiDAR 系統(tǒng)視為攝像系統(tǒng)或雷達系統(tǒng)的競爭解決方案。如今，幾乎所有的專家和制造商都一致認為，不應該用“非此即彼”的觀念使用這些不同的系統(tǒng)，而是應該“兼而有之”。因為只有將 LiDAR 系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)和攝像系統(tǒng)進行傳感器融合時，才可實現(xiàn)全自動駕駛的基本安全性。

其中的每項技術在不同的駕駛情況中均各有優(yōu)劣。這些系統(tǒng)的協(xié)調性越好，越能提高車輛在交通情況中的安全性。通過結合以上所使用三種技術的優(yōu)勢，即使在 250 米的距離中，自動駕駛車輛也能可靠地檢測到行人，并判斷橫穿馬路的物體是物體或者行人。從而以最佳的方式逐步組合各個系統(tǒng)，用于最大化地實現(xiàn)全面的功能并提高安全性。

LiDAR 技術正成為發(fā)展趨勢

使用 LiDAR 技術可最佳彌補其他兩項技術的優(yōu)勢，用于提高駕駛輔助系統(tǒng)的可靠性并從整體上優(yōu)化自動駕駛。市場已意識到這一發(fā)展趨勢，這不僅體現(xiàn)在近期傳感器制造商收購 LiDAR 技術的策略，同時也體現(xiàn)在目前諸如“LiDAR 成為 2019 年的汽車和工業(yè)應用”等。根據(jù)Marketandmarket 報告，配備先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的高檔車數(shù)量每年都在增加。市場預測，預計至 2030 年，ADAS 汽車中的 LiDAR 技術的市場價值將提高至 110 億美元。

與雷達傳感器相比，LiDAR 系統(tǒng)更具突出優(yōu)勢，可遠距離實時生成高分辨率的 3D 視圖信息?，F(xiàn)代化系統(tǒng)會產生數(shù)以萬計的數(shù)據(jù)點。相比于高分辨率的攝像系統(tǒng)，三維“視圖”和可直接測量與物體的間距功能也具有決定性的優(yōu)勢。因此安防系統(tǒng)利用 LiDAR 技術來檢測影子與空間物體之間的差異。LiDAR 在黑暗的使用環(huán)境中也具有突出優(yōu)勢，即使在逆光條件下仍可提供有用的數(shù)據(jù)。

自動反應的駕駛汽車不僅要可靠地探測前方的開闊“視線”(即最大距離為 250 m 的“遠距離 LiDAR”)，同時還必須可靠地檢測出汽車的周圍環(huán)境。這種所謂的短距離或中距離 LiDAR(最大距離約 90 m)可滿足傳統(tǒng)的交通狀況，例如高速公路或城市交通中的超車操作。

五大技術領域的探索和成果

進一步開發(fā)輔助系統(tǒng)和使用 LiDAR 技術過程中的最大挑戰(zhàn)在于，目前眾多制造商正在測試的概念和系統(tǒng)架構組成具有多樣性。例如可將 LiDAR 集成在車前燈中或作為緊裝式模塊嵌入散熱器格柵后側。

在實現(xiàn)標準化并使得 LiDAR 技術適用于大眾市場之前，技術供應商必須為每個可能的組合提供合適的組件。

除了這一挑戰(zhàn)之外，近幾年也已在 LiDAR 的一般技術性能方面取得顯著進展。

提高性能和射程：

由于真實駕駛環(huán)境十分復雜，例如高速公路與城市道路的不同場景，或者車型大小不同會造成制動距離不同，往往要求傳感器必須能覆蓋短距至中長距離。例如，目前國內外用于自動駕駛的激光雷達探測距離規(guī)格大多是200米，在雨雪、霧霾等天氣條件下，探測距離會衰減為數(shù)十米。此外，針對干線運輸?shù)淖詣玉{駛卡車，激光雷達的探測距離需要達到500米以上，才能給剎車距離較長的卡車以充足的決策時間，從而提高安全性、降低油耗。

另外能耗方面，若激光雷達系統(tǒng)的能耗降低，能提高車輛的續(xù)航能力與駕駛體驗，甚至降低運行溫度，提高激光雷達的使用壽命——對于私人車輛而言，要求即使投入運營多年后系統(tǒng)也能無故障運營。

大約 15 年前，歐司朗光電半導體有限公司 (Osram Opto Semiconductor) 首次推出第一款用于 LiDAR 的激光二極管。當時該產品型號在電流為 30 安培時可輸出 75 瓦的光學性能。隨著技術的不斷發(fā)展，尤其是對芯片設計和外殼的優(yōu)化，在運行極限范圍內顯著提高了性能。因此也明顯優(yōu)化了脈沖長度等其他參數(shù)。在如今的通道脈沖激光器 SPL S1L90A_3 A01 等產品型號中，電流為 40 安培時可達到 125 瓦的性能。不僅提高了約 30% 的效率，同時還降低了系統(tǒng)運行的總成本。由于低感應率和新型的 GaN (氮化鎵)場效晶體管技術，目前已可實現(xiàn) 2-4 ns 的短脈沖。

發(fā)射寬度和分辨率：

激光系統(tǒng)在每個立體角中檢測出的點越多，區(qū)分度將越精確——類似于攝像系統(tǒng)中的像素。最早用于制動輔助系統(tǒng)的激光系統(tǒng)已經可提前遠距離檢測前方路況。然而該系統(tǒng)的“像素”相對較低并且檢測范圍或立體角存在限制。

目前的 SPL DP90_3 等型號 LiDAR 激光芯片尺寸為 120 m 并且發(fā)射寬度更窄。這一部件在電流為 20 A 時達到 65 W 的光學性能，這不僅將成為市場銷售的獨特亮點，同時也適用于檢測汽車的周圍環(huán)境并為下游系統(tǒng)提供高分辨率的圖像。

部件微型化：

由于輔助系統(tǒng)越來越呈現(xiàn)復雜化，因此必須在越來越小的面積內安裝更多的部件。因此組件的微型化往往成為關注的焦點。這一點在外殼的小型化上體現(xiàn)得尤為明顯。

第一代標準化的 TO-Metalcan 外殼直徑通常為 5.6 mm。現(xiàn)在通用的 SMD 外殼不僅由于表面裝配技術 (SMT) 而具有簡易組裝的優(yōu)勢，而且 2mm x 2.3mm 的尺寸也更加緊湊。

.除了配備外殼的組件之外，當系統(tǒng)設計者追求極深的集成度時，也需要對尺寸極小的芯片也進行微型化。目前的 SPL DP90_3 型號不僅具備光束質量優(yōu)化的亮點，而且由于尺寸特別緊湊而受歡迎。由于節(jié)省空間的芯片安裝面積僅為 0.3 mm x 0.6 mm，因此系統(tǒng)制造商可以實現(xiàn)極為緊湊的設計。歐司朗光電半導體有限公司 (Osram Opto Semiconductor) 是第一家為各種系統(tǒng)方案提供完整產品組合的制造商，多年來該公司研發(fā)出了如今通用的 905 nm 波長。

新型組件降低系統(tǒng)復雜性

另一項挑戰(zhàn)是如何將 LiDAR 組件集成在生產線中。技術開發(fā)人員正致力于為表面裝配技術提供 SMD 部件，可將該部件集成在標準生產工序中。此外，如何降低系統(tǒng)復雜性也是一個重要的目標，安裝用于 ADAS 的每一個組件和傳感器將提高系統(tǒng)的復雜性。這要取決于系統(tǒng)供應商想實現(xiàn)的集成度。系統(tǒng)供應商也可將芯片完全集成至系統(tǒng)中，以最大化實現(xiàn)設計靈活性。

歐司朗公司在 2019 年秋季推出了第一款用于 LiDAR 應用的 SPL S4L90A 型號的自動化 (AEC-Q102) 四通道脈沖激光器。四通道型式配備一個帶有四個發(fā)射范圍的芯片，功率為 480 瓦特時可達到最佳的光學性能。規(guī)格僅為 3.35 mm x 2.45 mm x 0.65 mm 部件在應用中可實現(xiàn)全面的檢測范圍，尺寸與單通道型式的產品 (2.0 mm x 2.3 mm x 0.65 mm) 差別不大。另一個優(yōu)勢在于，即使在高電流中也可簡單地將熱能從部件中傳導出。特制的 SMT 外殼顯著簡化了系統(tǒng)開發(fā)人員對高性能激光器的系統(tǒng)集成。

邊緣和表面發(fā)射器

邊緣發(fā)射激光器 (EEL) 二極管通過較小的發(fā)射面在較小的空間內提供較大的光量，因此在功率、射程和較小的外形尺寸上都具備優(yōu)勢。特別是在 LiDAR 應用方面，EEL 技術已日趨完善。多年來，經過不斷的改進滿足了汽車行業(yè)的高要求。然而，另一種照明技術也隨著 LiDAR 的發(fā)展而被應用：垂直腔面發(fā)射激光器 (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)，簡稱：VCSEL。該激光器結合了兩種照明技術的特性——高功率密度和紅外 LED(IRED)的簡單封裝特點，光譜寬度和速度卻與激光相同。雖然 VCSEL 技術所需的封裝空間比 EEL 發(fā)射器稍大，但 VCSEL 技術在特殊領域應用中可能具有潛在優(yōu)勢。其中的突出優(yōu)勢在于其在溫度升高時的波長穩(wěn)定性。目前 VCSEL 技術已經率先在工業(yè)應用、機器人技術和物流汽車等領域得到了應用。雖然該技術還未獲得汽車應用的認證，但這將是下一個必然目標。與雷達、攝像系統(tǒng)或 LiDAR 技術相同，EEL 和 VCSEL 不應該被看作是相互競爭的技術，而應將其視為優(yōu)勢互補的組合，以提高道路駕駛安全性。然而，特別是在性能方面必須進一步發(fā)展 VCSEL 技術領域，以滿足 LiDAR 系統(tǒng)制造商的期望。

歐司朗公司除了提供用于邊緣發(fā)射激光器的全面產品組合之外，還致力于在 VCSEL 的基礎上研發(fā)新型解決方案。對此類組件的技術特性進行優(yōu)化時，將重點放在性能、效率、穩(wěn)定性、緊湊性以及簡化集成安裝方面。歐司朗公司最新研發(fā)的產品包括 10-W-VCSEL 芯片，幫助 3D 傳感器領域的客戶實現(xiàn)更高性能和更優(yōu)效率。該公司在 2020 年 2 月的 Photonics West 美國西部光電展展會上展出了波長為 940 nm 的芯片。單芯片的設計使得整體尺寸更小并且成本更低。該芯片是地圖繪制、無人駕駛交通系統(tǒng)和移動機器人等工業(yè)應用的理想選擇。