激光雷达将成汽车行业争夺焦点

雷达通过发射声波或者电磁波对目标物体进行照射并接收其回波,由此获得目标物体的距离、距离变化率(径向速度)、大小、方位等信息。雷达最先应用于军事中,后来逐渐民用化。随着汽车智能化的发展趋势,雷达开始出现在汽车上,主要用于测距、测速等功能。汽车雷达可分为超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达等,不同雷达的原理不尽相同,性能特点也各有优势,可用于实现不同的功能。

(1)超声波雷达

超声波雷达是利用传感器内的超声波发生器产生 40KHz的超声波,再由接收探头接收经障碍物反射回来的超声波,根据超声波反射接收的时间差计算与障碍物之间的距离。超声波雷达成本较低,探测距离近精度高,且不受光线条件的影响,因此常用于泊车系统中。

自动泊车功能离不开超声波雷达。 宝马最新的 i 系列和 7 系列已经支持使用车钥匙遥控汽车自动泊车,在操作过程中用户只需要发出前进或后退两个指示,汽车就会持续使用超声波传感器检测车位和障碍物,自动操作方向盘和制动器,实现自动泊车。大众第三代超声波半自动泊车系统,泊车辅助系统通常使用 6-12 个超声波雷达,车后部的 4 个短距超声波雷达负责探测倒车时与障碍物之间的距离,一侧的长距超声波雷达负责探测停车位空间。

(2)毫米波雷达: ADAS 核心传感器

毫米波是指波长在 1mm 到 10mm 之间的电磁波,换算成频率后,毫米波的频率位于30GHz到 300GHz 之间。毫米波的波长介于厘米波和光波之间,因此毫米波兼有微波制导和光电制导的优点。毫米波雷达在导弹制导、目标监视和截获、炮火控制和跟踪、高速通信、卫星遥感等领域都有广泛的应用。近些年,随着毫米波雷达技术水平的提升和成本的下降,毫米波雷达开始应用于汽车领域。

 

不同波长雷达的应用场景

毫米波雷达具有众多优点,是 ADAS 核心传感器。毫米波的波长介于厘米波和光波之间,因此毫米波兼有微波制导和光电制导的优点: 1)同厘米波导引头相比, 毫米波导引头具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点; 2)与红外、激光等光学导引头相比, 毫米波导引头穿透雾、烟、灰尘的能力强,传输距离远,具有全天候全天时的特点; 3) 性能稳定,不受目标物体形状、颜色等干扰。 毫米波雷达很好的弥补了如红外、激光、超声波、摄像头等其他传感器在车载应用中所不具备的使用场景。

毫米波雷达探测距离远,精度高,是 ACC、 AEB 首选传感器。 毫米波雷达的探测距离一般在 150m-250m 之间,有的高性能毫米波雷达探测距离甚至能达到 300m,可以满足汽车在高速运动时探测较大范围的需求。另外,毫米波因波长较短,弥散程度低,聚焦性好,因此毫米波雷达的探测精度较高。这些特性使得毫米波雷达能够监测到大范围内车辆的运行情况,同时对于前方车辆的速度、加速度、距离等信息的探测也更加精准,因此是 ACC、AEB 的首选传感器。毫米波雷达可用频带有 24GHz、 60~61GHz、 76~79GHz,目前比较主流的是 24GHz 和76~77GHz, 60~61GHz 只有日本使用。 一般 24GHz 用于短/中距, 76~79GHz 用于中/长距,频率越高,波长越短,测距测速的精度就越高。频带发展的趋势是从低频向高频过渡: 1)欧盟: 1997 年,欧洲电讯标准学会确认 76-77GHz 作为防撞雷达专用频道; 2)美国: 24GHz 和76~77GHz 两个频带均可用; 3)日本:先选用了 60~61GHz,后又转入76~77GHz 频带; 4)日内瓦 2015 年世界无线电通信大会, 77.5~78.0GHz 划分给无线电定位业务,以支持短距离高分辨率车载雷达的发展; 5)中国: 2005 年,原信息产业部《微功率(短距离)无线电设备的技术要求》,77GHz 划分给车辆测距雷达。

毫米波雷达关键技术主要由国外电子公司掌控。毫米波雷达系统主要包括天线、收发模块、信号处理模块,而 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)芯片和天线 PCB 板(Printed Circuit Board)是毫米波雷达的硬件核心。目前毫米波雷达关键技术主要被 Bosch、Continental、 Denso、 Autoliv 等零部件巨头垄断,特别是 77GHz 产品技术只有 Bosch、Continental、Denso、Delphi 等少数几家公司掌握。Bosch 的所有的车载雷达都采用 77GHz的频率,预计 2016 年将出产第一千万个 77GHz 毫米波雷达。 Continental 的雷达产品较全面,其中主力产品是 24GHz。

 

2015 年全球车载毫米波雷达主要供应商及市场份额(单位: %)

低成本 CMOS 解决方案有望加快市场开启。 目前 77GHz 毫米波雷达系统单价大约在 250欧元左右,高昂的价格限制了毫米波雷达的车载化应用。毫米波雷达的收发器芯片普遍使用 SiGe 双极型晶体管等特殊半导体,但是随着半导体技术的进步,被广泛用于数字电路且成本相对较低的 CMOS,也可被用于毫米波电路。CMOS 与传统 SiGe 双极型晶体管相比,由于在低电压条件下也可运行,因此可降低耗电量。虽然 CMOS 存在低频区噪声偏大的问题,但两者在毫米波区域(76-81GHz)具有大致同等的性能,未来车载毫米波雷达主流频段是 77-79GHz,因此 CMOS 低频区噪声大的问题并不太突出。 由于目前全球CMOS 产业链已较为成熟,可大批量生产,未来若能用 CMOS 替代 SiGe 双极型晶体管,毫米波雷达的成本有望显著下降,市场也有望加快开启。

 

两种毫米波雷达收发器芯片工艺技术比较

目前 Fujitsu 研究所已成功研发出采用 CMOS 工艺的 4 通道接收芯片。 Fujitsu 研发的此款产品不仅与现行 SiGe 产品具有同等的高频功能,还成功解决了低频区噪声问题。而新的 CMOS 芯片比传统的 SiGe 芯片降低了一半左右的电耗,还可以实现量产和低成本化。Fujitsu 预计 2018 年左右,该产品可以实现量产化,采用该技术的毫米波雷达的成本也有望大幅降低。低成本化有望加快引爆车载毫米波雷达市场。

(3)车载毫米波雷达国产化大潮将至

车载毫米波雷达国产化在即, 24GHz 产品技术已获突破, 77GHz 产品正加紧研发。 前端单片微波集成电路(MMIC)是毫米波雷达的关键部件, MMIC 技术主要被国外零部件巨头垄断,国内在此领域尚处于起步阶段。但国内部分公司经过几年的研发, 24GHz 车载雷达技术已获得突破,产品即将问世。 77GHz 产品的研制由于受到国外的技术封锁,目前大多还处于研发试验阶段。我们预计,随着智能汽车行业的快速发展,将开启对毫米波雷达的大量需求,国内相关公司将加速研发, 77GHz 产品有望在未来三年内实现国产化。

 

国内毫米波雷达相关企业及单位研发进展

汽车智能化浪潮汹涌, ADAS 资源整合是关键。汽车智能化水平的提升使得国内整车厂商对 ADAS 系统的需求巨大,而整车厂商对整套 ADAS 系统的需求比单一传感器的需求更为强烈,拥有整套 ADAS 技术(感知、控制、执行)的公司将更有竞争力。因此我们认为,国内大型厂商(一级、二级供应商)将十分关注对 ADAS 前端(感知)、中端(控制)、后端(执行)资源的整合,率先掌握稀缺资源就会拥有先发优势,更容易在智能驾驶的潮流中脱颖而出。关注车载毫米波雷达市场并购机会。 国内在毫米波雷达研发方面起步较晚,拥有 24GHz产品技术的公司还较少,而掌握 77GHz 产品技术的公司更是凤毛麟角,是市场上非常稀缺的资源。因此我们认为, 掌握车载毫米波雷达核心技术的公司将是国内大型厂商、上市公司十分重视的资源,要关注市场上存在的潜在并购机会。如 2015 年 12 月 16 日,亚太股份控股股东亚太机电集团与杭州智波科技有限公司签订合作协议,以 700 万元增资智波科技获 10%的股权,引进车载毫米波雷达项目。

激光雷达: 功能强大 成本大幅降低可期

激光雷达是军转民的高精度雷达技术。 激光雷达的应用一开始主要为军事领域,受到了各国军事部门的极大关注。相比普通雷达,激光雷达可提供高分辨率的辐射强度几何图像、距离图像、速度图像。按用途和功能划分,有跟踪激光雷达、制导激光雷达、火控激光雷达、气象激光雷达、水下激光雷达等,可适应不同战场环境。在民用领域中,激光雷达因其在测距测速、三维建模等领域的优越性能也被广泛应用。激光雷达性能精良,是无人驾驶的最佳技术路线。 激光雷达相对于其他自动驾驶传感器具有非常优越的性能:

1)分辨率高。 激光雷达可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。通常激光雷达的角分辨率不低于 0.1mard 也就是说可以分辨 3km 距离上相距 0.3m 的两个目标,并可同时跟踪多个目标;距离分辨率可达 0.1m;速度分辨率能达到 10m/s 以内。如此高的距离、速度分辨率意味着激光雷达可以利用多普勒成像技术获得非常清晰的图像。

2)精度高。 激光直线传播、方向性好、光束非常窄,弥散性非常低,因此激光雷达的精度很高。

3)抗有源干扰能力强。 与微波、毫米波雷达易受自然界广泛存在的电磁波影响的情况不同,自然界中能对激光雷达起干扰作用的信号源不多,因此激光雷达抗有源干扰的能力很强。

光雷达可以分为一维光雷达、二维光雷达、三维光扫描仪、三维光雷达等。 其中一维光雷达主要用于测距测速等,二维光雷达主要用于轮廓测量、物体识别、区域监控等,三维光雷达可以实现实时三维空间建模。车载三维光雷达一般安装在车顶,可以高速旋转,以获得周围空间的点云数据,从而实时绘制出车辆周边的三维空间地图;同时,光雷达还可以测量出周边其他车辆在三个方向上的距离、速度、加速度、角速度等信息,再结合 GPS 地图计算出车辆的位置,这些庞大丰富的数据信息传输给 ECU 分析处理后,以供车辆快速做出判断。

 

不同类型激光雷达的功能及应用场景

三维激光雷达逐渐发展为自动驾驶的标配。三维激光雷达功能强大,是无人驾驶的最佳解决方案,从最早的谷歌豆荚车到层出不穷的车企测试案例,激光雷达已经逐渐发展为标配。不难发现,随着企业自动驾驶方案的选择和规划,车用激光雷达的商业化正悄然发生。

Velodyne 64 线激光雷达成为无人驾驶的标志性特征。 2012 年 5 月,谷歌改装版丰田普锐斯自动驾驶汽车在内华达州上路测试,出场时头顶转个不停的 Velodyne 64 线,很快就成了自动驾驶汽车的标志性特征。与此同时,谷歌对外宣布项目研究目标——实现无人驾驶并且量产。从正面看,拆解后的 Velodyne 64 线整个激光收发器可以视为上下两部分,每部分都有三个并排透镜,两侧透镜是激光发射处,中间是接收处。转到产品背后会发现,两侧凸镜后各有 16 个一组的二极管,中间透镜对应 32 个接收器,可以把光信号变成电信号。

在保证质量的前提下,成本的降低将反推智能驾驶的产业进程。 激光雷达凭借其超高精准度,被认为是无人驾驶的必然选择; 2016 年以来,激光雷达巨头 Velodyne 与 Quanergy纷纷表态未来其激光雷达成本将大幅度降低,以此来满足无人驾驶汽车量产的需要。

Velodyne 车用激光雷达产品未来有望将成本控制在 200 美元以内。Velodyne 的激光雷达输出的是原始数据,需要经过二次处理,以 64 线激光雷达,每秒的点云数据量是 130 万,这需要桌面级显卡支持才能流畅工作。而桌面级显卡字眼需要昂贵的显存和散热设计,而且价格昂贵,高达 7 万美元。2016 年 1 月, CES 期间 Velodyne 与福特揭晓了最新产品 Solid-State Hybrid Ultra PuckTM Auto,范围为 200 米,可以满足车企 ADAS 和全自动驾驶需要。目前供给车企的 Pack1.5 投放寿命为 6-8 个月,车企测试后 Velodyne 会根据反馈重新调整设计。明年初推近改良后的 pack2.0 进行第二轮测试,在 18 年初或年中推出 pack3.0 作为正式商用版本。公司对这款产品 2020年目标产量定价为每个 500 美元, 2025 年将成本控制在 200 美元以内。

Quanergy 激光雷达量产后售价有望接近 100 美元。Quanergy 在今年 CES 展出了一款固态激光雷达 S3 约为一盒名片大小,而且单个售价初步定在 250 美元左右,其展台工作人员表示上量生产后有可能 100 美元搞定。未来几年里,小型专用激光雷达将会在汽车行业争夺市场。