激光雷达行业专题报告:Flash激光雷达的五个核心问题

Flash 激光雷达从原理上来讲类似于摄像头,不同点在于 Flash 激光雷达接收其发射的主动光,而摄像头是接收环境反射的被动光,所以前者多了一个发射模块。

Flash 激光雷达从原理上来讲类似于摄像头,不同点在于 Flash 激光雷达接收其发射的主动光,而摄像头是接收环境反射的被动光,所以前者多了一个发射模块。由于 Flash 激光雷达没有任何扫描部件,所以相比于机械旋转和半固态激光雷达非常容易过车规。大陆集团推出的 SRL121、HFL110(搭载至丰田雷克萨斯),ibeo 推出的三款 next 长中短距激光雷达(获得长城汽车定点)、Ouster 推出的 DF 系列激光雷达均属于 Flash 激光雷达。

问题一:怎样才算是性能优异的 Flash 激光雷达?对于用于前向远距离探测的激光雷达,如果能够同时实现“看得远”、“看得清”、“看得广”即为性能优异。“看得远”要求探测距离至少达到 150m@10%反射率及以上,探测距离主要受 VCSEL 芯片光功率密度、SPAD 灵敏度(PDE、暗计数率)、光学系统准直效果(发散角)、角分辨率四大因素影响;“看得清”要求角分辨率要达到 0.2°及以下,帧率要足够高至少为 10Hz 以上,角分辨率主要受接收视场角和 SPAD 像素数影响;“看得广”指视场角足够大,要求水平和垂直视场角至少达到 120°×20°,主要由焦距和 SPAD 尺寸所决定,但同时会受角分辨率约 束。Flash 激光雷达现在还无法在保证“看得清”的前提下,同时达到“看得远”和“看得广”,因此作为前向主雷达技术还未成熟,但作为中短距补盲激光雷达技术上已经成熟。

问题二:发射端为什么要用 VCSEL? Flash 激光雷达更适合用 VCSEL 主要原因在于:VCSEL 相较于 EEL 具备更大的发光面积,视场角可以做得比较大;如果把 EEL 用在 Flash上则光学设计会很复杂,需要好的光学设计去扩散 EEL发出来的光。但是 VCSEL作为 Flash激光雷达光源最大的问题在于光功率密度不够,目前最高水平的 VCSEL 光功率密度为1400W/mm2(Lumentum5 层结 VCSEL),而 EEL 最高已经到 60000W/mm2(欧司朗3 层结 EEL)。而发射功率每提高 1 倍,则激光雷达探测距离将提升 19%。

问题三:为什么 Flash 激光雷达要用 SPAD?激光雷达厂商在选择光电探测器时,有三种选择:APD(雪崩二极管)、SPAD(单光子雪崩二极管)和 SiPM(硅光电倍增管)。APD最大的问题在于增益不够,典型增益是 100 倍;而 SPAD 和 SiPM 的光电增益在 106 以上,可以提高光电探测器的信噪比,十分灵敏。另一方面,由于 Flash 激光雷达角分辨率主要受限于像素数量,因此单位面积能够达到很多像素数量的 SPAD 是更优于 SiPM 的选择。

问题四:Flash 激光雷达的光学系统有什么变化?(1)Flash 没有扫描模块。(2)Flash激光雷达发射光学系统相比于其他种类激光雷达,对发射视场角和光的均匀度有比较高的要求,但是不需要“准直”减小发散角;但是机械旋转和半固态激光雷达要求尽可能准直光束。(3)三类激光雷达接收光学系统差不多。

问题五:Flash 激光雷达什么时候能够普及?我们认为要达到以下几个条件,Flash 激光雷达才能作为前向主雷达:(1)VCSEL 光功率密度提升至 1750 W/mm2,SPAD 的 PDE 提升至 30%时,Flash 激光雷达的探测距离可以提升至 200m(以 Ibeo Next 为基准)。(2)SPAD 像素数达到 44 万像素以上,可以在保证远距离探测所需要的角分辨率 0.09°x0.07°的前提下,FOV 能提升至 120°x25°,而目前像素数最高的是索尼 IMX459,仅 11 万像素。但是 Flash 作为中短距补盲激光雷达技术上已经成熟,我们测算规模化量产价格为 1500元,是整车厂相对还能够接受的价格。

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