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未來幾年激光雷達將成汽車行業爭奪焦點

2017-05-22 17:34:02 未知

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雷達通過發射聲波或者電磁波對目標物體進行照射并接收其回波,由此獲得目標物體的距離、距離變化率(徑向速度)、大小、方位等信息。雷達最先應用于軍事中,后來逐漸民用化。隨著汽車智能化的發展趨勢,雷達開始出現在汽車上,主要用于測距、測速等功能。汽車雷達可分為超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達等,不同雷達的原理不盡相同,性能特點也各有優勢,可用于實現不同的功能。

(1)超聲波雷達

超聲波雷達是利用傳感器內的超聲波發生器產生 40KHz的超聲波,再由接收探頭接收經障礙物反射回來的超聲波,根據超聲波反射接收的時間差計算與障礙物之間的距離。超聲波雷達成本較低,探測距離近精度高,且不受光線條件的影響,因此常用于泊車系統中。

自動泊車功能離不開超聲波雷達。寶馬最新的 i 系列和 7 系列已經支持使用車鑰匙遙控汽車自動泊車,在操作過程中用戶只需要發出前進或后退兩個指示,汽車就會持續使用超聲波傳感器檢測車位和障礙物,自動操作方向盤和制動器,實現自動泊車。大眾第三代超聲波半自動泊車系統,泊車輔助系統通常使用 6-12 個超聲波雷達,車后部的 4 個短距超聲波雷達負責探測倒車時與障礙物之間的距離,一側的長距超聲波雷達負責探測停車位空間。

(2)毫米波雷達: ADAS 核心傳感器

毫米波是指波長在 1mm 到 10mm 之間的電磁波,換算成頻率后,毫米波的頻率位于30GHz到 300GHz 之間。毫米波的波長介于厘米波和光波之間,因此毫米波兼有微波制導和光電制導的優點。毫米波雷達在導彈制導、目標監視和截獲、炮火控制和跟蹤、高速通信、衛星遙感等領域都有廣泛的應用。近些年,隨著毫米波雷達技術水平的提升和成本的下降,毫米波雷達開始應用于汽車領域。

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不同波長雷達的應用場景

毫米波雷達具有眾多優點,是 ADAS 核心傳感器。毫米波的波長介于厘米波和光波之間,因此毫米波兼有微波制導和光電制導的優點: 1)同厘米波導引頭相比, 毫米波導引頭具有體積小、質量輕和空間分辨率高的特點; 2)與紅外、激光等光學導引頭相比, 毫米波導引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強,傳輸距離遠,具有全天候全天時的特點; 3) 性能穩定,不受目標物體形狀、顏色等干擾。毫米波雷達很好的彌補了如紅外、激光、超聲波、攝像頭等其他傳感器在車載應用中所不具備的使用場景。

毫米波雷達探測距離遠,精度高,是 ACC、 AEB 首選傳感器。毫米波雷達的探測距離一般在 150m-250m 之間,有的高性能毫米波雷達探測距離甚至能達到 300m,可以滿足汽車在高速運動時探測較大范圍的需求。另外,毫米波因波長較短,彌散程度低,聚焦性好,因此毫米波雷達的探測精度較高。這些特性使得毫米波雷達能夠監測到大范圍內車輛的運行情況,同時對于前方車輛的速度、加速度、距離等信息的探測也更加精準,因此是 ACC、AEB 的首選傳感器。毫米波雷達可用頻帶有 24GHz、 60~61GHz、 76~79GHz,目前比較主流的是 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/長距,頻率越高,波長越短,測距測速的精度就越高。頻帶發展的趨勢是從低頻向高頻過渡: 1)歐盟: 1997 年,歐洲電訊標準學會確認 76-77GHz 作為防撞雷達專用頻道; 2)美國: 24GHz 和76~77GHz 兩個頻帶均可用; 3)日本:先選用了 60~61GHz,后又轉入76~77GHz 頻帶; 4)日內瓦 2015 年世界無線電通信大會, 77.5~78.0GHz 劃分給無線電定位業務,以支持短距離高分辨率車載雷達的發展; 5)中國: 2005 年,原信息產業部《微功率(短距離)無線電設備的技術要求》,77GHz 劃分給車輛測距雷達。

毫米波雷達關鍵技術主要由國外電子公司掌控。毫米波雷達系統主要包括天線、收發模塊、信號處理模塊,而 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)芯片和天線 PCB 板(Printed Circuit Board)是毫米波雷達的硬件核心。目前毫米波雷達關鍵技術主要被 Bosch、Continental、 Denso、 Autoliv 等零部件巨頭壟斷,特別是 77GHz 產品技術只有 Bosch、Continental、Denso、Delphi 等少數幾家公司掌握。Bosch 的所有的車載雷達都采用 77GHz的頻率,預計 2016 年將出產第一千萬個 77GHz 毫米波雷達。 Continental 的雷達產品較全面,其中主力產品是 24GHz。

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2015 年全球車載毫米波雷達主要供應商及市場份額(單位: %)

低成本 CMOS 解決方案有望加快市場開啟。目前 77GHz 毫米波雷達系統單價大約在 250歐元左右,高昂的價格限制了毫米波雷達的車載化應用。毫米波雷達的收發器芯片普遍使用 SiGe 雙極型晶體管等特殊半導體,但是隨著半導體技術的進步,被廣泛用于數字電路且成本相對較低的 CMOS,也可被用于毫米波電路。CMOS 與傳統 SiGe 雙極型晶體管相比,由于在低電壓條件下也可運行,因此可降低耗電量。雖然 CMOS 存在低頻區噪聲偏大的問題,但兩者在毫米波區域(76-81GHz)具有大致同等的性能,未來車載毫米波雷達主流頻段是 77-79GHz,因此 CMOS 低頻區噪聲大的問題并不太突出。由于目前全球CMOS 產業鏈已較為成熟,可大批量生產,未來若能用 CMOS 替代 SiGe 雙極型晶體管,毫米波雷達的成本有望顯著下降,市場也有望加快開啟。

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兩種毫米波雷達收發器芯片工藝技術比較

目前 Fujitsu 研究所已成功研發出采用 CMOS 工藝的 4 通道接收芯片。 Fujitsu 研發的此款產品不僅與現行 SiGe 產品具有同等的高頻功能,還成功解決了低頻區噪聲問題。而新的 CMOS 芯片比傳統的 SiGe 芯片降低了一半左右的電耗,還可以實現量產和低成本化。Fujitsu 預計 2018 年左右,該產品可以實現量產化,采用該技術的毫米波雷達的成本也有望大幅降低。低成本化有望加快引爆車載毫米波雷達市場。

(3)車載毫米波雷達國產化大潮將至

車載毫米波雷達國產化在即, 24GHz 產品技術已獲突破, 77GHz 產品正加緊研發。前端單片微波集成電路(MMIC)是毫米波雷達的關鍵部件, MMIC 技術主要被國外零部件巨頭壟斷,國內在此領域尚處于起步階段。但國內部分公司經過幾年的研發, 24GHz 車載雷達技術已獲得突破,產品即將問世。 77GHz 產品的研制由于受到國外的技術封鎖,目前大多還處于研發試驗階段。我們預計,隨著智能汽車行業的快速發展,將開啟對毫米波雷達的大量需求,國內相關公司將加速研發, 77GHz 產品有望在未來三年內實現國產化。

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國內毫米波雷達相關企業及單位研發進展

汽車智能化浪潮洶涌, ADAS 資源整合是關鍵。汽車智能化水平的提升使得國內整車廠商對 ADAS 系統的需求巨大,而整車廠商對整套 ADAS 系統的需求比單一傳感器的需求更為強烈,擁有整套 ADAS 技術(感知、控制、執行)的公司將更有競爭力。因此我們認為,國內大型廠商(一級、二級供應商)將十分關注對 ADAS 前端(感知)、中端(控制)、后端(執行)資源的整合,率先掌握稀缺資源就會擁有先發優勢,更容易在智能駕駛的潮流中脫穎而出。關注車載毫米波雷達市場并購機會。國內在毫米波雷達研發方面起步較晚,擁有 24GHz產品技術的公司還較少,而掌握 77GHz 產品技術的公司更是鳳毛麟角,是市場上非常稀缺的資源。因此我們認為, 掌握車載毫米波雷達核心技術的公司將是國內大型廠商、上市公司十分重視的資源,要關注市場上存在的潛在并購機會。如 2015 年 12 月 16 日,亞太股份控股股東亞太機電集團與杭州智波科技有限公司簽訂合作協議,以 700 萬元增資智波科技獲 10%的股權,引進車載毫米波雷達項目。

激光雷達: 功能強大成本大幅降低可期

激光雷達是軍轉民的高精度雷達技術。激光雷達的應用一開始主要為軍事領域,受到了各國軍事部門的極大關注。相比普通雷達,激光雷達可提供高分辨率的輻射強度幾何圖像、距離圖像、速度圖像。按用途和功能劃分,有跟蹤激光雷達、制導激光雷達、火控激光雷達、氣象激光雷達、水下激光雷達等,可適應不同戰場環境。在民用領域中,激光雷達因其在測距測速、三維建模等領域的優越性能也被廣泛應用。激光雷達性能精良,是無人駕駛的最佳技術路線。激光雷達相對于其他自動駕駛傳感器具有非常優越的性能:

1)分辨率高。激光雷達可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率。通常激光雷達的角分辨率不低于 0.1mard 也就是說可以分辨 3km 距離上相距 0.3m 的兩個目標,并可同時跟蹤多個目標;距離分辨率可達 0.1m;速度分辨率能達到 10m/s 以內。如此高的距離、速度分辨率意味著激光雷達可以利用多普勒成像技術獲得非常清晰的圖像。

2)精度高。激光直線傳播、方向性好、光束非常窄,彌散性非常低,因此激光雷達的精度很高。

3)抗有源干擾能力強。與微波、毫米波雷達易受自然界廣泛存在的電磁波影響的情況不同,自然界中能對激光雷達起干擾作用的信號源不多,因此激光雷達抗有源干擾的能力很強。

光雷達可以分為一維光雷達、二維光雷達、三維光掃描儀、三維光雷達等。其中一維光雷達主要用于測距測速等,二維光雷達主要用于輪廓測量、物體識別、區域監控等,三維光雷達可以實現實時三維空間建模。車載三維光雷達一般安裝在車頂,可以高速旋轉,以獲得周圍空間的點云數據,從而實時繪制出車輛周邊的三維空間地圖;同時,光雷達還可以測量出周邊其他車輛在三個方向上的距離、速度、加速度、角速度等信息,再結合 GPS 地圖計算出車輛的位置,這些龐大豐富的數據信息傳輸給 ECU 分析處理后,以供車輛快速做出判斷。

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不同類型激光雷達的功能及應用場景

三維激光雷達逐漸發展為自動駕駛的標配。三維激光雷達功能強大,是無人駕駛的最佳解決方案,從最早的谷歌豆莢車到層出不窮的車企測試案例,激光雷達已經逐漸發展為標配。不難發現,隨著企業自動駕駛方案的選擇和規劃,車用激光雷達的商業化正悄然發生。

Velodyne 64 線激光雷達成為無人駕駛的標志性特征。 2012 年 5 月,谷歌改裝版豐田普銳斯自動駕駛汽車在內華達州上路測試,出場時頭頂轉個不停的 Velodyne 64 線,很快就成了自動駕駛汽車的標志性特征。與此同時,谷歌對外宣布項目研究目標——實現無人駕駛并且量產。從正面看,拆解后的 Velodyne 64 線整個激光收發器可以視為上下兩部分,每部分都有三個并排透鏡,兩側透鏡是激光發射處,中間是接收處。轉到產品背后會發現,兩側凸鏡后各有 16 個一組的二極管,中間透鏡對應 32 個接收器,可以把光信號變成電信號。

在保證質量的前提下,成本的降低將反推智能駕駛的產業進程。激光雷達憑借其超高精準度,被認為是無人駕駛的必然選擇; 2016 年以來,激光雷達巨頭 Velodyne 與 Quanergy紛紛表態未來其激光雷達成本將大幅度降低,以此來滿足無人駕駛汽車量產的需要。

Velodyne 車用激光雷達產品未來有望將成本控制在 200 美元以內。Velodyne 的激光雷達輸出的是原始數據,需要經過二次處理,以 64 線激光雷達,每秒的點云數據量是 130 萬,這需要桌面級顯卡支持才能流暢工作。而桌面級顯卡字眼需要昂貴的顯存和散熱設計,而且價格昂貴,高達 7 萬美元。2016 年 1 月, CES 期間 Velodyne 與福特揭曉了最新產品 Solid-State Hybrid Ultra PuckTM Auto,范圍為 200 米,可以滿足車企 ADAS 和全自動駕駛需要。目前供給車企的 Pack1.5 投放壽命為 6-8 個月,車企測試后 Velodyne 會根據反饋重新調整設計。明年初推近改良后的 pack2.0 進行第二輪測試,在 18 年初或年中推出 pack3.0 作為正式商用版本。公司對這款產品 2020年目標產量定價為每個 500 美元, 2025 年將成本控制在 200 美元以內。

Quanergy 激光雷達量產后售價有望接近 100 美元。Quanergy 在今年 CES 展出了一款固態激光雷達 S3 約為一盒名片大小,而且單個售價初步定在 250 美元左右,其展臺工作人員表示上量生產后有可能 100 美元搞定。未來幾年里,小型專用激光雷達將會在汽車行業爭奪市場。