光達(LiDAR)技術正成為投資界和汽車產業的技術新寵。

促成這一趨勢的原因有二。其一是光達技術尚未最終定型的技術前景。市調公司Yole Développement技術和市場分析師Alexis Debray認為,光達技術「還沒發展成熟。我們目前正處於擁抱光達巨大變革的開始。」

另一項因素在於這一廣泛接受的概念:光達是自動駕駛計程車(robo-taxis)必備的技術。Yole指出,Waymo、Uber、Lyft、百度(Baidu)和賓士(Mercedes-Benz)等公司開始將「每台平均價值20萬美元的感測器(包括光達)整合到數百輛傳統汽車中」,以將其改裝為能夠在城市街道運轉的完全自動駕駛車。

媒體上充斥著關於光達應用的各種最新消息。但是這一類的報導通常並未分別討論在不同類型光達中所整合的各種技術。在Yole的協助下,《EE Times》詳細分析不同光達技術的優缺點、其市場潛力,以及成為投資目標焦點的光達供應商現況。

光達市場的主要參與者

Yole認為,光達主要根源於兩項技術——其一來自數位攝影,另一項是雷射測距儀。Debray指出,由於「將這兩種技術混合於產品中」,部份解釋了光達的複雜度和多樣性。

2 roots of lidar 光達技術根源於數位攝影以及雷射測距儀(來源:Yole Développement)

廣義而言,汽車領域使用兩種類型的光達。「工業級」光達用於自動駕駛計程車。另一種Debray所謂的「車用級」光達,將被部署於大眾消費市場的自動駕駛車。工業級光達被定義為「具有24小時使用的耐用度、高靈敏度且高性能」。目前,由於光達主要作為工業/商業應用,成本並不是主要的問題。其價格十分昂貴。

相形之下,當涉及預計用於大眾市場車輛的車用級光達時,OEM將會從價格、尺寸到介面外觀等各方面開始斤斤計較。

根據不同的掃描技術途徑,Yole將光達劃分為五類:多通道巨集機械掃描(如Velodyne、Valeo等);其它機械掃描(如Luminar、Panasonic等);MEMS光達(如Leddar Tech、Innoviz、Pioneer等);光學相控陣列雷達(如Quanergy、Robosense);以及閃光(flash)光達(如Argo、Sense Photonics、Continental等)。

automotive lidar player 車用級光達供應商(來源:Yole Développement)

在各種光達設計中,巨集機械掃描是目前使用最多的技術。這些光達已經可用,而且也被設計於自動駕駛車中,目前正進行測試,準備應用於商業自動駕駛計程車業務。但這些光達確實還不完善。Debray說,「它們仍然很昂貴——必須花費數萬美元,而且體積很龐大。」

MEMS光達被認為是下一個最有潛力的技術。Debray解釋說,其性能與微機械光達一樣好,而且由於使用較少零件而可能進一步縮小尺寸且變得更便宜。今年4月,BMW宣佈計畫將Innvoiz的光達應用於其自動駕駛車。

Yole將使用光學相控陣列的光達(如Quanergy提供的產品)視為「在MEMS掃描器之後的下一步」。由於無需使用移動元件,因而可以做的更小、更便宜。

Continental和Xenomatix等公司提出了閃光光達,它能同時照亮整個場景,而無需使用移動元件。根據Debray觀察,閃光光達製作起來可能更簡單,但其感測範圍較MEMS光達更小些。

Yole並列舉了幾家提出不同解決方案的其他廠商,如Cepton和Luminar使用機械掃描技術、Neptec採用稜鏡。但Debray說,由於缺乏這些技術的細節,目前仍很難評估。

波長至關重要

目前,大多數的車用光達透過發射大約900nm波長的雷射發射脈衝,掃描周圍環境,並記錄反射光線,以建立映射汽車周圍環境的點雲(point cloud)。

根據美國和其它國家的雷射安全規則(限制雷射脈衝功率,因為它會傷害人眼),要求光達的射程僅限於30至40公尺。這對於車輛在高速行駛時的安全停車距離來說太短。自動駕駛車必須在距離至少200公尺遠以前發現低反射率的物體,以便讓汽車有足夠的時間辨識危險並停車。

然而,最近幾家公司開始探索使用1,550nm波長,這使得他們可以使用更高的雷射功率,而不至於傷害視網膜。根據Debray,更高的功率能擴展長波光達的射程和解析度。他指出,Blackmore、Neptec、Aeye和Luminar等公司都開始使用1,550nm波長。

不過,Debray解釋,其中一個缺點是,使用1,550nm的光達所需的雷射和光電探測器並不像900nm那樣先進,因而限制了光達供應商的選擇。

脈衝與連續波

如果你使用各種掃描方法作為X軸來對光達進行分類,那麼用於在物體上投射光線的不同方法構成了Y軸。

當今大多數光達都使用稱為脈衝光達的直接(direct)光達。他們向目標發出一個光脈衝,並由返回光探測器的時間確認距離,Debray解釋道。

「連續波測距方法」是新出現的方法。有些公司開始使用符號波——或稱「正弦波」——而非脈衝波,據稱可為光達帶來更好的靈敏度。Debray指出,這是一種具有前景的技術,但它需要光的同調性。IFM和Benewake則正在研究相移方法。

同時,Blackmore和Oryx開始研究調頻測距方法。Debray說,它被描述為頻率調變連續波(Frequency Modulated Continuous wave;FMCW),允許外差探測,「就像無線電中所使用的」,可帶來比直接檢測更高的靈敏度。

光達的未來

Debray認為,沒有任何一種技術突破能夠降低光達真正成為主流技術的門檻。他說,這一角力的關鍵在於光達開發者如何在不同的技術和市場需求之間取得均衡。

但還有一個更廣泛的問題值得考慮。在車用光達技術不斷發展的同時,先進駕駛輔助系統(ADAS)和自動駕駛車中所使用的其它感測器技術也在進步。例如,車用雷達的成像能力使用波束控制而變得越來越好。同樣地,結合AI的視覺處理器也在不斷完善中。這將有助於相機檢測和分類物件,使其更有效地理解3D空間。

總之,在汽車領域並沒有關於哪些感測器必須安裝在ADAS或自動駕駛車的協議。Debray說,「例如,特斯拉(Tesla)就不使用光達。」今年初發表的凱迪拉克(Cadillac)無人駕駛巡航系統Super Cruise也未使用光達。相反地,它在很大程度上依賴地圖。

另一方面,例如奧迪(Audi)使用Valeo的光達,而BMW剛剛宣佈計畫使用Innoviz光達。

除了已經安裝光達的自動駕駛計程車,大眾市場車輛的車用級光達市場規模將會有多大?隨著時間的進展,市場機會將逐漸縮小嗎?

Yole的Debray說,現在還無法做出任何結論。確定哪些技術將普遍用於自動駕駛車中,目前還為時過早。不過,他補充道,ADAS車輛和自動駕駛車「將需要感測器之間的冗餘」,才能發揮其潛力。

Yole估計,2017年,設計用於ADAS車輛的光達市場規模為1.07億美元,而用於自動駕駛車輛的光達則為2.2億美元。到2023年,ADAS的光達市場預計將達到17億美元,而自動駕駛車輛的光達市場約有35億美元。

值得注意的是:業界對於光達技術的投資步伐正在加快。許多新創企業、一線業者和OEM都在開發使用不同方法的光達,但這些方法並不一定能保證成功。Debray稱,每個人都在追求躋身「車用級光達技術市場一部份」的夢想。

據Yole估計,僅在過去兩年(2016-2017年),「投資於光達公司的資本就超過了8億美元」。

在Yole的幫助下,本刊整理了過去15個月來取得超過500萬美元投資的光達公司名單(按字母順序排列)。

automotive lidar player 表1:過去15個月來獲500萬美元以上融資的LiDAR公司概況(製表:電子工程專輯)

(參考原文:Lidar Tech Today, Lidar Vendors Tomorrow,by Junko Yoshida)