国产新型激光雷达发展有待提升

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近年来,随着驾驶、机器人等热门行业的兴起,核心感知传感器的快速发展得到了推广。其中,激光雷达的测量精度远高于毫米波雷达等标准雷达,且具有较少的环境优势,如谷歌、百度、宝马等传感器首选产品。
国内专利申请从后面赶上来
自2001以来,国外激光雷达的专利申请迅速增加,每年有220多个申请。2013~2015的应用率分别达到312, 395和344。相比之下,国内激光雷达专利申请在2007之前并没有突破100%,但自2007以来,专利申请呈直线上升,分别达到2015和2016的峰值,分别达到607和776。因此,近几年来,国内应用该项技术的数量超过了国外的应用,这在一定程度上反映了国内企业、科研院所在激光雷达技术方面已经进行了大量的研究和开发。
从分布的角度来看,申请专利的申请人大部分是日产,其次是三菱、电装、博世、欧姆龙等,都是控制、汽车电子设备制造商享誉世界的自动化、专利申请,有利于基础专利的申请。可以说,基于这些企业较为完整的专利布局,激光雷达技术在一定程度上已经相当成熟,给国内企业造成了一定的技术壁垒。此外,虽然申请量排名第一的日本车的价格,但美国车企和德国车企(如Velodyne、Quanergy,一般,lbeo,等)也有不可低估的技术实力。
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笔者发现,国内申请人主要集中在高校和研究机构,包括上海光学精密机械研究所、哈尔滨工业大学、武汉大学、中国科学院和中国科技大学,一些新的企业如深圳市雷神智能系统有限公司,上海思澜科技有限公司是激光雷达技术的主要研究课题。何飞佳东光学镜片依靠光学技术、激光雷达也加快了产品开发的过程。
研究结果还需要市场的检验
分析发现,直到2004,外国专利在激光雷达中的应用是单或多束线束机械转动结构密切相关,主要通过机械旋转部件,由激光发射驱动及接收绕轴转动,每个激光束扫描平面实现方位角的检测。其中,线束数量越多,激光雷达的测量精度和分辨率越高,但体积越大,价格越高。从市场的角度来看,价格高、体积大的缺点导致了激光雷达大规模应用的失败。因此,低成本、小型化是新型激光雷达的关键研究方向。
通过对激光雷达专利应用的梳理,总结出实现低成本、小型化目标的3种途径:
首先,采用微机电系统,即MEMS微镜,将所有的机械元件集成到一块芯片中。利用微镜驱动电路驱动MEMS微镜偏转实现激光扫描。半导体工艺的产生,使得整个激光雷达结构、激光雷达机械旋转平台与传统驱动器相比,MEMS微镜更易于精确驱动和控制,功耗和成本更低,体积和重量也更小。例如,在2008丰田中央研究所提交的光学扫描装置和机载激光雷达设备的专利申请,通过后视镜,MESMs镜,以相对于轴挠度预设角度激光光源阵列的激光束的光学扫描方式,使车辆周围障碍车辆距离的准确测定。作为哈尔滨工业大学2014提交的专利申请“扫描光学系统”基于MEMS微镜折叠,主要是利用MEMS微镜的角度系统的扩展,实现了1550 nm的波长和入射激光束光斑大小为1 ~ 2毫米到100米的距离目标60度角扫描,快速扫描高速、高分辨率的目标点。
其二,采用光学相控阵技术,即通过电信号来控制光发射阵列中每个发射单元的相位差,进而改变激光的出射角度。相比于传统机械扫描技术,由于激光光束完全由电信号控制,所以在允许的角度范围内可以做到任意指向,可以在目标区域进行有选择性的高密度扫描或者稀疏扫描,这对于驾驶环境的感知尤其有效。同时,其扫描精度或指向精度高,可做到1/1000度量级以上。例如,美国Quanergy公司于2015年提交的“平面波束的形成以及光学相控阵芯片”,采用了其核心的相控阵技术的全固态激光雷达,能够实时三维测绘以及物体的跟踪识别。目前,该全固态激光雷达已经进入产品化阶段,可以说在相控激光雷达领域占据了绝对的垄断优势。又如大连楼兰科技股份有限公司于2015年提交的专利申请“基于车载激光雷达的光波导光学相控阵扫描系统”,利用光波导电光效应,对波导芯层加载电压,使得波束在波导真元输出截面光场具有不同的相位差,进而引起光束的偏转,实现光束的扫描。再如中国科学院上海光学精密机械研究所于2008年提交的专利申请“电光控制二维激光光束扫描阵列”,该技术采用10个铌酸锂晶体光电开关单元串联结构,每个单元在电场控制下对光束方向90°偏转,以实现分束和定向。同一列的每个光开关单元发射角度是唯一确定的,通过改变出射面倾角的设置,实现不同光束出射角度,可以灵活改变扫描范围。
其三,混合固态激雷达技术,即在垂直于水平面方向均采用电子扫描技术,在水平方向则采用机械360°旋转扫描。该技术主要具有扫描速度快、接收视场小、可承受高的激光功率等优点。目前,美国Velodyne公司以及Quanergy公司已经在市场上推出了相应的半固态旋转激光雷达,这类产品在激光雷达的小型化、降低成本方面都取得了很大的进展。
作为一个整体,相关的科研院所和企业在中国实现了小型化、低成本的激光雷达是未来的趋势,并且已经参与新型激光雷达的发展。然而,与国外专利申请相比,国内对学术研究机构和企业的专利申请更偏重理论研究,与大众市场还有一定的距离。因此,科研成果产业化是新型激光雷达国产化需要解决的问题。小羊毛信用卡论坛www.xykym.com中国顶尖信用卡论坛优惠资讯分享平台

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