華為車(chē)規級激光雷達深度報告

  華為12月首次面向行業(yè)正式發(fā)布車(chē)規級高性能激光雷達產(chǎn)品和解決方案。這是一款96 線(xiàn)中長(cháng)距激光雷達產(chǎn)品，可以實(shí)現城區行人車(chē)輛檢測覆蓋，并兼具高速車(chē)輛檢測能力，更符合中國復雜路況下的場(chǎng)景。華為的激光雷達產(chǎn)品在性能與可靠性方面都滿(mǎn)足車(chē)規級要求，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(shí)驗室，華為快速建立了第一條車(chē)規級激光雷達的第一條Pilot 產(chǎn)線(xiàn)，已按照年產(chǎn)10 萬(wàn)套/線(xiàn)推進(jìn)產(chǎn)能，以適應未來(lái)大規模量產(chǎn)需求。

  激光雷達的市場(chǎng)格局

  市場(chǎng)總量：根據咨詢(xún)機構 Yole 的數據，在 2020 年，全球激光雷達出貨量大約為 34 萬(wàn)個(gè)，用于智能駕駛的大約 20萬(wàn)個(gè);全球激光雷達的銷(xiāo)售額約 12.95 億美元，智能駕駛相關(guān)的銷(xiāo)售額大約為 9500 萬(wàn)美元。

  至 2025 年，全球激光雷達的出貨量有望達到 470 萬(wàn)個(gè)，其中用于智能駕駛的大約 340 萬(wàn)個(gè);全球激光雷達銷(xiāo)售額有望達到 61.9 億美元，智能駕駛相關(guān)的銷(xiāo)售額大約為 15.35 億美元。

  主要玩家：激光雷達目前國外巨頭主要是 Velodyne、Ibeo 和 Quanergy 三家。國內除華為外，還有禾賽科技、速騰科技、鐳神、一徑科技、思嵐科技等。著(zhù)名無(wú)人機企業(yè)大疆內部孵化的 Livox 于 2020 年發(fā)布了兩款激光雷達產(chǎn)品，售價(jià)分別為 6499 元和 9000元，線(xiàn)數分別等效于傳統 64 線(xiàn)和 128 線(xiàn)。

  車(chē)載激光雷達的定位：華為汽車(chē)業(yè)務(wù)在“云-管-端”的架構下，發(fā)力智能駕駛、智能網(wǎng)聯(lián)、智能座艙、智能電動(dòng)、智能車(chē)云五大模塊，其中智能駕駛對應“端”。智能駕駛的工作原理是通過(guò)激光雷達、毫米波雷達等感知層硬件來(lái)探測汽車(chē)周?chē)沫h(huán)境，獲取數據后傳輸至決策層進(jìn)行處理判斷，最后由執行層硬件具體控制車(chē)輛的行駛活動(dòng)。

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

  華為激光雷達定位前裝量產(chǎn)：華為激光雷達產(chǎn)品的研發(fā)始于 2016 年，在調研主流車(chē)企對激光雷達產(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(chē)規級標準，能夠大規模前裝量產(chǎn)的激光雷達。在研發(fā)過(guò)程中，華為的激光雷達首先具體分析了實(shí)際行駛過(guò)程中的難點(diǎn)場(chǎng)景，比如地庫場(chǎng)景、隧道場(chǎng)景等;然后，華為進(jìn)一步明確了激光雷達的規格定義，對測距規格、水平 FOV 和垂直 FOV 規定了性能要求;最后，華為考慮了激光雷達實(shí)際安裝適配的問(wèn)題，對安裝數量、安裝位置、環(huán)境適應性問(wèn)題制定了具體的解決方案。

  華為激光雷達產(chǎn)品實(shí)現了性能、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，激光雷達可分為 MEMS、Flash、相控陣、機械旋轉式四類(lèi)。根據2020年世界知識產(chǎn)權組織對華為激光雷達技術(shù)專(zhuān)利的披露，華為的產(chǎn)品應該屬于 MEMS 激光雷達，并且采用多線(xiàn)程微振鏡激光測量模組技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。

  MEMS 激光雷達的特征：MEMS 激光雷達與機械激光雷達相比，有三大優(yōu)勢。

  1)機械結構簡(jiǎn)化：微振鏡幫助 MEMS 激光雷達拜托了馬達、多棱鏡等機械裝置，毫米級尺寸的微振鏡縮減了激光雷達的尺寸;

  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量，機械激光雷達的發(fā)射模組數量與線(xiàn)數完全同步，但是 MEMS 僅需一束激光光源就可以通過(guò)微振鏡反射來(lái)實(shí)現多線(xiàn)數的效果;

  3)分辨率高：MEMS 微振鏡可以精確控制光線(xiàn)角度，而機械激光雷達僅可以調整馬達轉速。同時(shí)，MEMS 激光雷達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(zhù)信噪比較低、有效距離較短和 FOV 較窄的問(wèn)題。

  激光雷達是 L3-L5 級別智能駕駛的核心零部件，從 L3 級別開(kāi)始應用，部分外資廠(chǎng)商生產(chǎn)的 64 線(xiàn)激光雷達價(jià)格高達 8 萬(wàn)美元。華為的 96 線(xiàn)激光雷達目前的成本大約在數百美元，未來(lái)計劃將成本壓縮至 200 美元。

  目前常見(jiàn)的車(chē)載激光雷達都是置于車(chē)頂，在華為的智能駕駛解決方案中，每輛車(chē)需要大約3 個(gè)激光雷達，將分布在車(chē)頭前格柵處和車(chē)前左右兩側輪眉上方。

  華為激光雷達產(chǎn)品實(shí)現了功率與成本的平衡：華為針對 MEMS 激光雷達功率較低的問(wèn)題，采用多線(xiàn)程微振鏡激光測量模組技術(shù)做了改進(jìn)。華為借鑒了機械激光雷達的做法，采用了多個(gè)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(diǎn)，使同線(xiàn)數下的華為產(chǎn)品所含有的激光發(fā)射接收模組的數量處于機械激光雷達和 MEMS 激光雷達之間，在提升功率和控制成本之間實(shí)現了平衡。

  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，適應不同的市場(chǎng)需求。華為的激光雷達定位為中距激光雷達，最遠可達到大約 150 米的探測距離，其水平視野可達到FOV120 度的視角 。

  華為重構了激光雷達的核心部件：得益于 ICT 領(lǐng)域光學(xué)設計、信號處理、整機工程等長(cháng)期積累，華為重構了激光雷達的核心部件，包括發(fā)送模塊，接收模塊和掃描器。

  比如：華為選擇微轉鏡掃描器架構，不是簡(jiǎn)單的做微轉鏡，而是解構了電機、軸承等關(guān)鍵部件，通過(guò)精準的掃描控制，提升點(diǎn)云精度的穩定性與一致性;收發(fā)端華為通過(guò)精準的光路控制，精巧的電路設計來(lái)提升收發(fā)模塊的光電轉換效率。

  華為激光雷達產(chǎn)品的可靠性滿(mǎn)足多項車(chē)規級要求：華為車(chē)載激光雷達的可靠性不僅來(lái)源于車(chē)規級器件選型、還依賴(lài)整體架構設計以及海量可靠性測試驗證。電機作為核心部件，車(chē)規能力一直是行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，華為憑借了 20 年深厚的機電能力積累和 25 億次電機可靠性測試經(jīng)驗，設計了滿(mǎn)足車(chē)規要求的激光雷達掃描電機。

  此外，針對車(chē)規要求的高低溫濕熱，水壓、振動(dòng)、鹽霧、人眼安全、EMC(電磁兼容)、碎石沖擊等場(chǎng)景，華為都嚴格按照 ISO 國際標準執行，甚至基于 TOP 車(chē)企的特殊要求，做了更加嚴苛的測試。華為有信心成為全球第一個(gè)真正車(chē)規的高線(xiàn)束激光雷達的供應商。

  華為激光雷達具有強大的清洗與加熱功能：在激光雷達被臟污覆蓋的場(chǎng)景下，可使用智能清洗系統，華為做了大量測試來(lái)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(guò)程中也需要清洗，為了很好地測試這個(gè)場(chǎng)景，華為自主設計了智能清洗風(fēng)洞系統，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，得到寶貴的一手數據。除了智能清洗系統外，華為也開(kāi)發(fā)了智能加熱系統。在被霜、霧、凝露、薄冰覆蓋的場(chǎng)景，激光雷達內置的智能加熱系統會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)。

  華為激光雷達產(chǎn)品有望配套長(cháng)安、北汽：在 2020 年廣州車(chē)展前，長(cháng)安汽車(chē)董事長(cháng)宣布，將攜手華為、寧德時(shí)代，一起打造高端智能汽車(chē)品牌。在其公布的長(cháng)安方舟架構中，將預留 36 個(gè)傳感器，其中包含 5 個(gè)激光雷達。

  在 2020年 11 月的“互聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)烏鎮夜話(huà)”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(chē)搭載 3 顆 96 線(xiàn)激光雷達、6 個(gè)毫米波雷達、12 個(gè)攝像頭、13 個(gè)超聲波傳感器，華為提供的芯片算力達到 352 萬(wàn)億次每秒。

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

  1)縱慧芯片的產(chǎn)品 VCSEL 芯片是激光雷達的光源。作為一種光電半導體，VCSEL 廣泛應用于智能手機、數據通信、激光雷達等領(lǐng)域?？v慧芯片同時(shí)也是華為手機 ToF 光源的主要供應商，自有 6 寸外延產(chǎn)線(xiàn)。

  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 的激光雷達可以準確探測低反射率的物體，例如暗色著(zhù)裝的行人等。

  3)裕太微的主要產(chǎn)品是汽車(chē)以太網(wǎng) PHY 芯片，汽車(chē)以太網(wǎng)也是新型汽車(chē)電子電器架構的主干網(wǎng)絡(luò )，以太網(wǎng) PHY 不止用在激光雷達中傳輸點(diǎn)云數據，在毫米波雷達、智能座艙、自動(dòng)駕駛域控制器上均有應用。

  華為里程碑：華為早在 2014 年就成立了“車(chē)聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗室”，致力于汽車(chē)互聯(lián)化、智能化、電動(dòng)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(dòng)汽車(chē)的應用場(chǎng)景儲備技術(shù)。2019 年 5 月華為正式成立智能汽車(chē)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(chē)，聚焦 ICT 技術(shù)，提供智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)增量部件，幫助車(chē)企造好車(chē)。如今，華為自主研發(fā)的激光雷達產(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，構成了華為汽車(chē)業(yè)務(wù)體系的重要一環(huán)。

  激光雷達的性能優(yōu)勢：分辨率高，信號精度高，3D 空間建模

  各類(lèi)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、毫米波雷達和激光雷達，其中激光雷達性能最優(yōu)、成本最高，是目前實(shí)現 3D 空間建模的必備硬件。這三種感知硬件可以同時(shí)使用，通過(guò)卡爾曼濾波算法實(shí)現融合傳感：

  1) 攝像頭是視覺(jué)影像處理系統的基礎，適用于目標分類(lèi)，比如交通信號燈分類(lèi)、車(chē)道檢測等，探測精度一般，可實(shí)現車(chē)道偏離預警、全景泊車(chē)等較為基礎的 ADAS 功能;

  2) 毫米波雷達的波長(cháng)介于厘米波和光波之間，兼有微波制導和光電制導的優(yōu)點(diǎn)，能夠大范圍檢測車(chē)輛的運行情況，可實(shí)現自適應巡航、自動(dòng)緊急剎車(chē)等 ADAS 功能;

  3) 激光雷達性能最優(yōu)，分辨率高，精度極高，抗有源干擾能力強，可以通過(guò)點(diǎn)云數據實(shí)現 3D 空間建模，即使在夜間仍能準確檢測障礙物。

  各類(lèi)傳感器的價(jià)格與用量：車(chē)載攝像頭的價(jià)格近年來(lái)持續走低，2010 年市場(chǎng)價(jià)大約 300 元，2014 年降至大約 200元，目前部分車(chē)載攝像頭價(jià)格已低至 100 元以?xún)?，要?shí)現全套 ADAS 功能，單車(chē)至少需要配備 5 個(gè)攝像頭。

  毫米波雷達按頻率劃分主要有 24GHZ 和 77GHZ 兩種，價(jià)格分別大約為 500 元和 1000 元,要實(shí)現全套 ADAS 功能一般至少需要“1 長(cháng)+4 短”共 5 個(gè)毫米波雷達。

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

  其工作原理是向目標發(fā)射探測信號(激光束)，然后將接收到的從目標反射回來(lái)的信號(目標回波)與發(fā)射信號進(jìn)行比較,作適當處理后,即可獲得目標的有關(guān)信息,如目標距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數,從而實(shí)現對目標進(jìn)行探測、跟蹤和識別。激光雷達生成的通常是點(diǎn)云數據。

  四個(gè)系統，九個(gè)指標：從激光雷達內部的運轉流程來(lái)看，可以劃分為四大系統。

  1)激光發(fā)射系統：激勵源驅動(dòng)激光器按一定周期發(fā)射激光脈沖，激光調制器通過(guò)光束控制器對激光的方向和線(xiàn)數進(jìn)行調試，然后通過(guò)發(fā)射系統將激光射向目標;

  2)激光接收系統：光電探測器接受目標物體反射回來(lái)的激光，產(chǎn)生接收信號;3)信息處理系統：接收信號經(jīng)過(guò)放大處理和數模轉換，由信息處理模塊進(jìn)行分析計算，獲取目標表面形態(tài)、物理屬性等數據并建立 3D 空間模型。

  4)掃描系統：以穩定的速度進(jìn)行旋轉，同時(shí)對所在平面的掃描，獲取實(shí)時(shí)的平面圖信息。此外，一款激光雷達的性能具體可以從九個(gè)維度去做評估。

  激光雷達的分類(lèi)：激光雷達集激光、全球定位系統(GPS)、和 IMU(慣性測量裝置)三種技術(shù)于一體，具有廣泛的應用場(chǎng)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(xiàn)數、掃描方式、載荷平臺等方式進(jìn)行多種分類(lèi)。

  激光雷達的五項關(guān)鍵技術(shù)

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

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

  2)三角式，也叫間接式，將光源、被測物、接收系統三點(diǎn)組成一個(gè)三角形光路，接收系統接收來(lái)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(guò)光點(diǎn)在敏感面上的位移，從而計算出被測物的移動(dòng)距離。

  3)相位式，將一調制信號對激光光強進(jìn)行調制，通過(guò)測量相位差來(lái)間接測量往返時(shí)間，計算公式為距離=信號波長(cháng)/2X 相位差/(2 π)。

  4)調頻連續波，通過(guò)比較反射信號與發(fā)射信號頻率的方法來(lái)得到目標的距離信息。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)射器與透鏡系統協(xié)同完成。

  1)激光發(fā)射器有半導體激光器、固體激光器、光纖激光器和二氧化碳氣體激光器四種類(lèi)型。無(wú)人駕駛大多采用半導體激光器，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(chēng)，光能轉換效率高，光源具有高度一致性和高指向性等優(yōu)點(diǎn)，被業(yè)界看好。

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

  掃描技術(shù)：激光雷達的掃描技術(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)掃描式激光雷達具體有三種技術(shù)路徑可以實(shí)現：機械式掃描是將激光雷達安裝在車(chē)頂以一定的速度旋轉，在水平方向采用機械 360°旋轉掃描，在垂直方向采用了定向分布式掃描;MEMS(微電機系統)微鏡是把所有機械部件集成到單個(gè)芯片上，利用半導體工藝生產(chǎn)，以電的方式來(lái)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(guò)控制每個(gè)元件發(fā)射光的相位和振幅來(lái)控制光束。

  2)Flash 面陣式，用激光器同時(shí)照亮整個(gè)場(chǎng)景，對場(chǎng)景進(jìn)行光覆蓋，一次性實(shí)現全局成像。目前 MEMS 和 Flash 技術(shù)越來(lái)越受到激光雷達廠(chǎng)商的重視，有望逐步取代傳統的機械式激光雷達。

  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換功能直接實(shí)現對光信號的信息解調，系統簡(jiǎn)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，但是系統比較復雜。激光探測的核心器件是光電探測器，能把光能轉換成一種便于測量(電壓或電流)物理量的半導體器件，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。

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

  我們認為，華為入局對國內智能汽車(chē)生態(tài)整體利好，有望發(fā)揮現有手機電子算法優(yōu)勢，結合資金、人才優(yōu)勢，將原來(lái)掌握在國際巨頭谷歌、英偉達、Velodyne 等手中的智能汽車(chē)關(guān)鍵要素國產(chǎn)化，同時(shí)帶動(dòng)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。