一文通过AEC-Q102车规级芯片测试认证了解激光雷达核心技术及行业格局

激光雷达被认为是L3 级及以上自动驾驶必备传感器

当前 L2 级自动驾驶感知系统主要由超声波雷达、毫米波雷达、摄像头等车载传感器组成。特斯拉环绕车身共配有8个摄像头，视野范围达360度，对周围环境的监测距离最远可达250米。

12个新版超声波传感器作为整套视觉系统的补充，可探测到柔软或坚硬的物体，传感距离和精确度接近上一代系统的两倍。增强版前置雷达通过发射冗余波长的雷达波，能够穿越雨、雾、灰尘，甚至前车的下方空间进行探测，为视觉系统提供更丰富的数据。

激光雷达被认为是 L3 级及以上自动驾驶必备传感器。激光雷达兼具测距远、角度分辨率优、受环境光照影响小的特点，且无需深度学习算法，可直接获得物体的距离和方位信息。

这些相较于其他传感器的优势，可显著提升自动驾驶系统的可靠性，因而被大多数整车厂、Tier 1认为是L3级及以上自动驾驶（功能开启时责任方为汽车系统）必备的传感器。

1.2 全球L3 级量产车快速开发中，国内激光雷达加速上车

全球范围内L3 级辅助驾驶量产车项目当前处于快速开发之中。BMW预计在2021年推出具有L3级自动驾驶功能的BMW Vision iNEXT；Mercedes-Benz首款L3级自动驾驶系统将于2021年在新款S级车型上推出；

Volvo预计在2022年推出配备激光雷达的自动驾驶量产车型，实现没有人工干预情况下的高速行驶；Honda计划于2021年在其Legend车型上提供L3级自动驾驶系统。

随着成本不断下探且达到车规级要求，激光雷达有望实现高速增长。考虑全球高级辅助驾驶项目的发展进度，2020 年及 2021 年 ADAS 领域激光雷达的销售主要仍由SCALA贡献。随着激光雷达成本下探至数百美元区间且达到车规级要求，未来越来越多高级辅助驾驶量产项目将实现 SOP；

根据Yole的研究报告，至2025 年全球乘用车新车市场L3级自动驾驶的渗透率将达约6%，即每年将近600万辆新车将搭载激光雷达。激光雷达在高级辅助驾驶领域的市场规模将在未来5年里保持高速增长，按照沙利文预计，2025年激光雷达市场规模预计将达到46.1亿美元，2019年至2025年复合增长率达83.7%。

蔚来ET7搭载Innovusion 超远距高精度激光雷达。蔚来ET7搭载33个高性能感知硬件，定义量产车自动驾驶感知系统全新标准，包含11个800万像素高清摄像头、5个毫米波雷达、12个超声波雷达、1个激光雷达、2个高精度定位单元、1个车路协同感知和1个ADMS增强主驾感知。

其中，激光雷达为蔚来与Innovusion合作开发，最远探测距离达500m，水平视角120°，最高分辨率0.06°×0.06°，采用1550nm安全激光，避开了人眼敏感的900nm波长，兼顾性能和他人安全。  

小鹏汽车将搭载Livox激光雷达。小鹏汽车宣布与大疆孵化的Livox览沃科技达成合作，将在2021 年推出的全新量产车型上使用其生产的小鹏定制版车规级激光雷达， Livox也正式成为小鹏汽车在激光雷达领域的首家合作伙伴。

在本次合作中，Livox 览沃科技基于浩界 Horiz车规级激光雷达平台为小鹏汽车进行了一系列定制化开发，最终提供的车规级量产版本在量程、FOV、点云密度等多个核心指标上都做到了业内领先水平。

长城将搭载ibeoNEXT激光雷达，欲实现中国首个配置激光雷达的自动驾驶。咖啡智驾搭载的全球首款能够真正量产的车规级高性能固态激光雷达，角分辨率达0.05°*0.07°，性能高出普通无人驾驶车型所采用的机械激光雷达5倍，配合毫米波雷达、摄像头、超声波雷达等配置带来全方位360°双倍无死角覆盖。

2.1 激光雷达结构拆分

激光雷达系统可拆分成激光发射、扫描系统、激光接收和信息处理四个部分。

2.2 激光发射系统：波长影响激光功率，激光器是核心

基本原理：激励源周期性地驱动激光器，发射激光脉冲，激光调制器通过光束控制器控制发射激光的方向和线数，最后通过发射光学系统，将激光发射至目标物体。

激光波长：激光最关键指标在于波长，一般会考量四个因素：人眼安全、与大气相互作用、可选用的激光器以及可选用的光电探测器。目前业内主流采用 905nm 和1550nm 两种波长，905nm 波长适用的光电探测器比1550nm 的更便宜，但1550nm对人眼安全性更高。针对于与大气相互作用，1550nm吸水率比905nm更强，但905nm的光损失更少。

激光器：当前阶段重要有EEL激光器、VCSEL激光器和光纤激光器等。

ØEEL激光器：EEL作为探测光源具有高发光功率密度的优势，但EEL激光器因为其发光面位于半导体晶圆的侧面，使用过程中需要进行切割、翻转、镀膜、再切割的工艺步骤，往往只能通过单颗一一贴装的方式和电路板整合，而且每颗激光器需要使用分立的光学器件进行光束发散角的压缩和独立手工装调，极大地依赖产线工人的手工装调技术，生产成本高且一致性难以保障。

Ø VCSEL激光器：垂直腔面发射激光器（VCSEL）其发光面与半导体晶圆平行，具有面上发光的特性，其所形成的激光器阵列易于与平面化的电路芯片键合，在精度层面由半导体加工设备保障，无需再进行每个激光器的单独装调，且易于和面上工艺的硅材料微型透镜进行整合，提升光束质量。

传统的VCSEL激光器存在发光密度功率低的缺陷，导致只在对测距要求近的应用领域有相应的激光雷达产品（通常<50m）。近年来国内外多家VCSEL激光器公司纷纷开发了多层结VCSEL激光器，将其发光功率密度提升了5~10倍，这为应用VCSEL开发长距激光雷达提供了可能。

Ø 光纤激光器：以掺有激活粒子的光纤为激光介质的激光器，通常以半导体激光器作为能量泵浦源（以半导体激光器发出的光，泵浦光纤增益介质产生光）。

2.3 激光扫描系统：MEMS渐成主力，Flash/OPA纯固态方案值得期待

2.3.1 机械式激光雷达

机械式激光雷达通过电机带动收发阵列进行整体旋转，实现对空间水平360°视场范围的扫描。测距能力在水平360°视场范围内保持一致。

传统机械式激光雷达难以满足车规级要求。传统机械式激光雷达，通过电机带动整个激光头做圆周运动，其扫描方式通常呈360度线式扫描。这种方式带来的直接后果是无论扫描时间多长，线与线之间总会有间隙，存在漏检物体的可能性。

而更为糟糕的是，占整个雷达70%质量的重要部件，包括激光发射、接收等精密的电子器件，都在不停地一边运动，一边工作，这种机械运动以及旋转部件动平衡上的误差带来的磨损、振动等，大大降低了雷达的稳定性和可靠性。

而且多线激光雷达这种转动的工作模式，若采用滑环设计会容易失效，而无线供电的方式则不够稳定，很难满足车规级别的应用场景。

2.3.2 MEMS 激光雷达

MEMS激光雷达通过硅基芯片上微振镜以一定谐波频率的振荡，来反射激光器的光线，从而以超高的扫描速度形成高密度的点云图。由此改变单个发射器的发射角度进行扫描，形成较广的扫描角度和较大的扫描范围。

Ø 优点：其核心光束操纵元件为MEMS微振镜，大大减少了激光雷达的尺寸，减少激光器和探测器数量，极大地降低成本，具有高性能、稳定可靠、易于生产制造等优点，兼顾车规量产与高性能的需求。

Ø 缺点：MEMS激光雷达并没有完全消除机械，只是将扫描单元变成了MEMS微振镜，仍然存在微振镜的振动，所以它并不能算纯固态激光雷达，而是混合固态雷达（也称类固态/半固态雷达）。

其光路较复杂，微振镜结构会影响整个激光雷达的寿命，激光功率较低，信噪比较低、有效距离较短，并且激光扫描范围受微振镜面积限制，视野相对较窄。

2.3.3 Flash 激光雷达

Flash激光雷达，指一次闪光（激光脉冲）成像的激光雷达，在发射端采用面光源，短时间发射出一大片覆盖探测区域的面阵激光，再以高度灵敏的接收器，来完成对环境周围图像的绘制，它也是目前唯一的非扫描式激光雷达，能够达到最高等级的车规要求。

这种激光雷达的缺点很明显，功率密度太低，导致其有效距离一般难以超过50米，分辨率也比较低。要改善其性能，需要使用功率更大的激光器，或更先进的激光发射阵列，让发光单元按一定模式导通点亮，以取得扫描器的效果。

2.3.4 OPA 激光雷达

OPA激光雷达是运用相干原理，采用多个光源组成阵列，通过调节发射阵列中每个发射单元的相位差来改变激光的出射角度，通过控制各光源发射的时间差，可以合成角度灵活、精密可控的主光束，实现对不同方向的扫描。

Ø 优点：这种固态激光雷达有着扫描速度快，精度高，可控性好，抗振性能好，体积小，量产一致性高，成本更低等优点。

Ø 缺点：OPA激光雷达仍有易形成旁瓣效应，光信号覆盖有限、环境光干扰、测距较短等问题，而且加工难度较高。

2.4 激光接收系统：光电探测器是关键

探测器指利用光电效应将光信号转化为电信号，实现对光信号进行探测的装置。目前激光雷达领域常用的探测器主要包括APD、SPAD和SiPM等。

APD 是一种具有高速度、高灵敏度的光电二极管，当加有一定的反向偏压后，它就能够对光电流进行雪崩放大。而 APD 的反向偏压被设定为高于击穿电压时，内部电场更强，光电流则会获得 105～106 的增益，这种工作模式就叫 APD 的“盖革模式”。

在盖革模式下，光生载流子通过倍增就会产生一个大的光脉冲，而通过对这个脉冲的检测，就可以检测到单光子。将盖革模式下的 APD 上连接一个淬灭电阻作为 1 个像素，就构成了 SiPM 的基本单元，而它输出的总和也构成了 SiPM 的输出，后则可根据该输出进行光子计数或者信号强度的测量。

2.5 信息处理系统：车载激光雷达的三类应用算法

现有车载激光雷达应用算法都具有不同程度的局限性。首先，算法可靠性和实时性相互制约，二者难以同时满足；其次，算法多为针对某一特定场景开发， 难以保证可移植性和稳定性。

场景的复杂性和多样性使得算法的研究异彩纷呈，呈现出多层次、多角度的多元组合态势。车载激光雷达应用算法可分为三类：点云分割算法、目标跟踪与识别算法、即时定位与地图构建算法（simultaneous localization and mapping，SLAM）。

各类算法的合理选择使用将解决不同场景下的智能驾驶问题，其中点云分割算法是目标跟踪与识别的基础，目标跟踪与识别将实现对汽车周围障碍物运动状态和几何特征的判断，SLAM将实现汽车的精确定位与可通行路径规划。

从信噪比看激光雷达技术发展趋势

信噪比，英文名称叫做SNR或S/N（SIGNAL-NOISE RATIO)，又称为讯噪比。是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。

信噪比的计量单位是dB。对于一张图像来说，计算信噪比可以按照 20lg(信号/噪声) 这个公式来计算，从公式可以看出信噪比应该越高越好。信噪比高，反应在画质上就是画面干净无噪点；信噪比低会使图像粗糙噪声多，画面发灰不通透，对比度不够。

3.1 提高接收信号光功率：1550nm波长+光纤激光器+InGaAs接收器

1550nm波长激光雷达加大信号光功率不会对人眼造成伤害。目前市场上大部分的激光雷达都采用了近红外波段的905nm半导体激光器发射激光脉冲，然后记录反射光来创建汽车周围环境的点云图。

但是，人眼内部对于905nm波长的光相当于是“透明的”，因此采用905nm波长的激光雷达可以直射脆弱的视网膜。但是人眼对于1550nm波长的光则是不透明的，因而该波长的光无法投射到视网膜上，从而可以采用更高功率的激光雷达而不会对人眼造成伤害。

Luminar利用1550nm激光器获得了40倍于905nm激光器的激光脉冲强度。超强的功率使其激光雷达的探测范围扩大了10倍，分辨率提高了50倍。

1550nm 波长激光雷达需要采用光纤激光器，搭配InGaAs接收器。硅基传感器对1550nm波长的激光没有响应，但室温下的铟镓砷（InGaAs）传感器可以。

Luminar在2018年收购了美国芯片设计商Black Forest Engineering，后者一直专注于研究高性能 InGaAs 接收器，可用于探测 Luminar 激光雷达系统所特有的 1550nm波长激光。

3.2 提高探测器的量子效率：SPAD和SiPM探测器

SiPM 和 SPAD 正成为新兴的激光雷达探测器。SiPM 和 SPAD 可探测距离超过200m、5%的低反射率目标，在明亮的阳光下也能工作，分辨率极佳，且尽可能小的光圈和固态设计实现紧凑的系统集成到汽车中，并极具成本优势。

激光雷达车规级标准

电子元器件的车规级标准就是AEC组织制定的一系列标准，其初衷是为了推动了汽车用电子器件的通用化。AEC标准极大地促进了汽车电子器件的资格通用化，降低了零部件公司及OEM的器件选择、使用及变更成本，极大地提高了电子零部件及车辆的可靠性，提高了电子器件的通用化水平。

1.产品采用的所有电子元器件均为车规级（AEC-Q*** Qualified）；

2.产品满足汽车电子设计开发要求；

3.产品满足大型车企的测试要求；

4.产品实现批量前装（量小的车型不算，半前装或后装都不算）；

AEC-Q102是专门针对激光雷达的核心器件激光器和光电探测器而制定的新标准，让激光雷达“有法可依”，AEC-Q102 专门规定了针对激光器件的以下部分：

1.4.5章测试注意事项（Notes for Testing Laser Components）；

2.流程变更指南（Process Change Guideline for Laser Components）；

3.最小参数测试要求和失效标准（Minimum Parametric Test Requirements and Failure Criteria）；

4.Table 3认证测试方法（Qualification Test Methods）；

5.Table 3某些专门针对Laser的测试要求（Required only for laser components.）。

AEC标准及其范围

电子元器件车规级标准无疑是AEC组织所制定的系列标准之一，它的本意在于促进汽车电子器件通用化。AEC标准极大地促进了汽车电子器件的资格通用化，降低了零部件公司及OEM的器件选择、使用及变更成本，极大地提高了电子零部件及车辆的可靠性，提高了电子器件的通用化水平。

AEC标准是如何解决器件可靠性问题的？

电子元器件要做到整个车型生命周期及车辆生命周期内的高可靠性，主要涉及以下内容:

1.器件本身质量的高可靠性是器件长使用寿命的基础；

2.器件长达15年以上的供货周期中，器件批次间品质的一致性，是实现器件长生命周期的保证；

3.器件生命长周期内的变更及重新认证，是解决器件一致性及可靠性的重要手段；

4.IATF16949、AEC-Q、PPAP等标准及流程体系对产品设计及制造的支撑功不可没；

对激光雷达而言，除核心器件激光器和探测器需要通过AEC-Q102认证外，所有电子元器件都要通过AEC-Q认证，这样激光雷达才有了车载应用的基础，才有了整体去过零部件试验及满足车辆长达15年严苛应用的可靠性基础，自动驾驶车辆的安全才能够得到保障。

“作为一家集检测、鉴定、认证和研发为一体的第三方检测与分析的新型综合实验室，华碧实验室一直致力于为汽车产业链提供创新的品质解决方案，提升中国制造的质量水平。

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总结

我们认为，以特斯拉为代表的造车新势力在驾驶上给消费者带来了更“智能化”的体验，也将引领汽车行业L3 级及以上自动驾驶的加速落地，而激光雷达被认为是L3级及以上自动驾驶的必备传感器，将深度受益汽车行业自动驾驶发展趋势。

当前阶段激光雷达多技术共同发展，MEMS 激光雷达渐成主力，OPA 和Flash 纯固态方案未来可期，随着激光雷达过车规和降本问题逐渐得到解决，激光雷达上车搭载有望加速。

1）整车：L3 级及以上自动驾驶极大丰富了用户的驾驶体验，自动驾驶选装、软硬件FOTA 给整车企业带来新的利润增长空间，自动驾驶领域布局卡位良好、具备自研能力、响应速度更快的车企具备竞争优势。推荐吉利汽车、长城汽车、上汽集团、广汽集团、长安汽车，建议关注特斯拉、蔚来汽车、小鹏汽车、理想汽车等。

2）激光雷达供应商：激光雷达被认为是L3 级及以上自动驾驶的必备传感器，将深度受益汽车行业自动驾驶发展趋势。建议关注禾赛科技、速腾聚创、镭神智能、华为、Livox 等。

3）激光雷达产业链上游供应商：激光雷达行业的上游产业链主要包括激光器和探测器、FPGA 芯片、模拟芯片供应商，以及光学部件生产和加工商等。建议关注炬光科技、安森美半导体等。