【導讀】激光雷達技術(shù)在自動(dòng)駕駛汽車(chē)中的集成增強了車(chē)輛的感知能力，從而可以在復雜的駕駛場(chǎng)景中做出更好的決策，這一趨勢凸顯了LiDAR在自動(dòng)駕駛汽車(chē)開(kāi)發(fā)和部署中的重要性?？梢哉f(shuō)，LiDAR的應用徹底改變了車(chē)輛感知和與周?chē)h(huán)境互動(dòng)的方式。
在不斷發(fā)展的汽車(chē)技術(shù)領(lǐng)域，LiDAR（光探測和測距）傳感器——也就是“激光雷達”——已成為關(guān)鍵組件，隨著(zhù)汽車(chē)行業(yè)向自主化邁進(jìn)，激光雷達傳感器在提供安全導航所需的實(shí)時(shí)3D地圖方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。
激光雷達技術(shù)在自動(dòng)駕駛汽車(chē)中的集成增強了車(chē)輛的感知能力，從而可以在復雜的駕駛場(chǎng)景中做出更好的決策，這一趨勢凸顯了LiDAR在自動(dòng)駕駛汽車(chē)開(kāi)發(fā)和部署中的重要性?？梢哉f(shuō)，LiDAR的應用徹底改變了車(chē)輛感知和與周?chē)h(huán)境互動(dòng)的方式。
自動(dòng)駕駛系統中的激光雷達應用
休斯飛機公司于20世紀60年代發(fā)明了LiDAR技術(shù)，該技術(shù)在汽車(chē)中的商業(yè)應用始于2010年代。從2020年開(kāi)始，LiDAR在高端電動(dòng)汽車(chē)中越來(lái)越受歡迎。
LiDAR是一種類(lèi)似雷達的探測系統，通過(guò)使用光波而不是無(wú)線(xiàn)電波來(lái)探測物體、描述其特征并確定其距離。對于自動(dòng)駕駛汽車(chē)而言，沒(méi)有精確快速的物體檢測系統，車(chē)輛將無(wú)法行駛。每秒發(fā)射數百萬(wàn)個(gè)激光脈沖的連續旋轉激光雷達系統使之成為可能。
通過(guò)集成激光雷達，智能汽車(chē)能夠更好地預測和應對周邊動(dòng)態(tài)環(huán)境，為安全導航提供了所需的精度和可靠性。與傳統的相機和雷達系統不同，LiDAR提供高分辨率的環(huán)境3D映射，即使在惡劣的天氣和低光照條件下也能準確檢測物體、行人和道路狀況，使得車(chē)輛能夠做出實(shí)時(shí)決策。
如果汽車(chē)上的LiDAR傳感器發(fā)出一千次或更多次激光脈沖，就會(huì )創(chuàng )建一張精確的周?chē)h(huán)境地圖，同時(shí)捕捉細節。Benewake公司的TF03-180是一款工業(yè)級遠程激光雷達，其最大探測距離可達100米，具有針對室外眩光和其他干擾的集成補償算法，可以在強光環(huán)境和雨、霧、雪條件下工作，在車(chē)輛防撞和安全警告系統中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。
圖：可用于智能駕駛系統的遠程激光雷達TF03-180（圖源：Benewake）
盡管LiDAR系統具有大量的硬件組件，但其工作原理與雷達類(lèi)似，即采用各種測距機制來(lái)確定與物體的距離。在實(shí)際應用中，每種測距機制在精度、復雜性和性能方面都有各自的優(yōu)勢。
ToF（飛行時(shí)間）激光雷達通過(guò)測量激光脈沖擊中物體后返回所需的時(shí)間來(lái)計算精確的距離，在夜間工作良好，且成本較低，但也存在著(zhù)明顯的弱點(diǎn)，比如在明亮的白天，它經(jīng)常受到紅外范圍內的陽(yáng)光的干擾，在接收信號時(shí)會(huì )產(chǎn)生額外的噪聲。
FMCW（調頻連續波）激光雷達通過(guò)測量頻率變化以確定距離和速度，由于系統已對光信號進(jìn)行了預處理，抑制了入射的背景輻射和干擾，因此該方法可有效提供更高精度的測距，不過(guò)它的成本較高，實(shí)施起來(lái)更復雜。
激光雷達中的核心技術(shù)
整個(gè)LiDAR子系統包括信號鏈、電源、接口、時(shí)鐘和監測/診斷子系統等。其中的信號鏈的子系統主要包括發(fā)射系統（Tx）、接收系統（Rx）、控制系統以及數字處理系統等。受空間的限制，自動(dòng)駕駛系統對應用于系統中的模塊尺寸比較敏感，因此，激光雷達系統需要高密度的系統集成。
Texas Instruments公司提供的一系列放大器可與激光雷達系統進(jìn)行有效集成。這些放大器包括用于基于A(yíng)DC系統的LMH32401和LMH32404，以及用于基于TDC系統的LMH34400。所有器件均集成了高速TIA（跨阻放大器）補償網(wǎng)絡(luò )，以及環(huán)境光消除、輸入過(guò)電流鉗位保護和多路復用器模式等功能。其中的環(huán)境光消除電路是專(zhuān)為節省布板空間并降低系統成本而設計，可使用該電路代替光電二極管（PD）或雪崩光電二極管（APD）與放大器之間的交流耦合。當需要直流耦合時(shí)，環(huán)境光消除電路也可以被禁用。
圖：適用于LiDAR應用的汽車(chē)級可編程增益差分輸出高速跨阻放大器（圖源：Texas Instruments）
Infineon的AURIX TC4x微控制器系列針對自動(dòng)駕駛汽車(chē)中汽車(chē)激光雷達傳感器的集成進(jìn)行了優(yōu)化。AURIX TC4Dx是該系列的首款產(chǎn)品，采用了搭載500MHz TriCore六核處理器的多核架構，所有核心均具有鎖步功能，可實(shí)現更高的功能安全性能，同時(shí)還有高達20MB的eFlash非易失性存儲器、10MB SRAM和豐富的連接功能，包括兩個(gè)5Gbps和四個(gè)10/100Mbps以太網(wǎng)接口。對于傳感器融合和集成平臺如車(chē)輛運動(dòng)控制器等應用，AURIX TC4Dx提供具有擴展連接和AI功能的高性能，包括智能加速器。
圖：AURIX TC4Dx高性能微控制器（圖源：Infineon）
激光雷達市場(chǎng)趨勢
汽車(chē)激光雷達傳感器是自動(dòng)駕駛汽車(chē)生態(tài)系統的重要組成部分。它們?yōu)榘踩叫?、事故避免和物體檢測提供了必要的數據，使其成為未來(lái)交通不可或缺的技術(shù)。推動(dòng)車(chē)輛激光雷達傳感器市場(chǎng)增長(cháng)的關(guān)鍵因素包括對自動(dòng)駕駛汽車(chē)需求的增加和對車(chē)輛安全的日益重視。
此外，人工智能（AI）算法增強了激光雷達數據的處理能力，實(shí)現了更好的目標檢測、識別和分類(lèi)，這對于在復雜環(huán)境中導航至關(guān)重要。未來(lái)，人工智能和自動(dòng)化技術(shù)的持續進(jìn)步將成為車(chē)輛激光雷達傳感器市場(chǎng)增長(cháng)的重要推手。
據Precision Business Insights的預測，2023年，LiDAR汽車(chē)市場(chǎng)規模為4.665億美元，預計到2030年將達到17.866億美元，2024-2030年的復合年增長(cháng)率為22.3%。
在預測期內，3D汽車(chē)激光雷達市場(chǎng)將有更大的增長(cháng)。這是因為，3D LiDAR不僅重量輕，還可以?huà)呙?00到150米的區域范圍，視場(chǎng)角（FoV）在水平或垂直方向上均為360度，智能汽車(chē)可憑借3D LiDAR來(lái)獲得更寬廣的視野和更高的精度。隨著(zhù)價(jià)格的不斷下降，加上汽車(chē)行業(yè)對先進(jìn)技術(shù)的偏好增加，以及對L2+、L3、L4和L5自動(dòng)駕駛的日益關(guān)注，3D LiDAR的部署將會(huì )越來(lái)越多。
自動(dòng)駕駛中的激光雷達應用之爭
從技術(shù)角度看，人們通常認為L(cháng)iDAR技術(shù)是智能和自動(dòng)駕駛汽車(chē)發(fā)展的基石，為安全導航提供了所需的精度和可靠性。然而，激光雷達真正進(jìn)入乘用車(chē)市場(chǎng)卻花費了很長(cháng)時(shí)間。
首先是安全因素。安全是汽車(chē)行業(yè)的首要任務(wù)。盡管一些汽車(chē)制造商一直在積極推進(jìn)自動(dòng)駕駛功能，但他們需要在道路上部署新的ADAS技術(shù)之前實(shí)施嚴格的可靠性標準。隨著(zhù)汽車(chē)行業(yè)向L4和L5方向邁進(jìn)，激光雷達提供精確距離測量和創(chuàng )建詳細環(huán)境模型的能力變得不可或缺，它克服了其他傳感器技術(shù)的局限性，確保車(chē)輛擁有更高的安全性和效率。通過(guò)集成激光雷達，智能汽車(chē)能夠更好地預測和應對動(dòng)態(tài)環(huán)境，為未來(lái)道路事故最小化、自動(dòng)駕駛成為常態(tài)化鋪平道路。
其次是價(jià)格因素。車(chē)輛激光雷達傳感器市場(chǎng)面臨的主要挑戰之一是它的高成本，這在很大程度上阻礙了它們在車(chē)輛中的廣泛應用。
關(guān)于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的傳感系統，業(yè)界目前有兩種流派：一是使用激光雷達、雷達、超聲波和攝像頭或這些傳感器的融合。二是僅使用攝像頭，不使用其他任何傳感器。
雖然激光雷達市場(chǎng)正在經(jīng)歷顯著(zhù)增長(cháng)，但關(guān)于自動(dòng)駕駛汽車(chē)是否需要激光雷達的爭論仍在繼續。支持者認為，激光雷達對安全至關(guān)重要。它在低光照條件或惡劣天氣下檢測物體的能力，再加上其360°視野，提供了一定程度的冗余，提高了自主系統的可靠性。
一些專(zhuān)家認為，激光雷達、攝像頭和雷達這三者的結合將提供最安全、最可靠的自動(dòng)駕駛體驗。不過(guò)，高昂的初始成本、復雜的數據處理、監管限制和集成問(wèn)題將對行業(yè)的快速發(fā)展產(chǎn)生較大阻力，尤其是相機和雷達技術(shù)的不斷改進(jìn)最終可能會(huì )減少對激光雷達的需求。
然而，這些挑戰并非不可克服。隨著(zhù)激光雷達技術(shù)的進(jìn)步，人工智能、小型化和成本降低方面的創(chuàng )新將有助于克服這些障礙。綜合來(lái)看，盡管激光雷達目前在自動(dòng)駕駛汽車(chē)中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用，但未來(lái)汽車(chē)有可能僅依賴(lài)于特定的傳感器組合來(lái)導航，最終的方案走向將取決于成本、安全性和技術(shù)進(jìn)步之間的平衡。
本文小結
很明顯，LiDAR技術(shù)正在逐漸成為汽車(chē)行業(yè)的變革力量。激光雷達能夠創(chuàng )建詳細的環(huán)境3D地圖，這使其有別于雷達和相機等其他傳感器，尤其是在具有挑戰性的天氣條件下。
隨著(zhù)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的不斷發(fā)展，激光雷達目前仍是確保自動(dòng)駕駛系統安全性和效率的關(guān)鍵技術(shù)。在不斷創(chuàng )新和對提高安全性和效率的承諾下，汽車(chē)LiDAR傳感器市場(chǎng)將推動(dòng)汽車(chē)行業(yè)走向互聯(lián)、自主和可持續移動(dòng)的新時(shí)代。
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