新型激光雷达的国产研发任重道远

      近些年，随着机器人、自动驾驶等热门行业兴起，推动了核心感知传感器的迅猛发展。其中，激光雷达因测量精度远高于毫米波雷达以及其他标准雷达，且具有使用环境限制较小等优势，成为了谷歌、百度、宝马产品的传感器首选。本文中，笔者以中国专利文摘数据库（CNABS）和外文数据库（VEN）已公开的专利文献（检索日期为2017年5月16日）为基础，对激光雷达的专利申请进行统计分析，以期为国产新型激光雷达的研发提供参考。

      国内专利申请后来居上

      笔者通过专利检索后发现，关于激光雷达的国外专利申请始于1959年，申请人来自德国，该专利申请用于军事领域中的反坦克武器系统。直到20世纪初，该技术的发展一直较缓。从2001年起，国外激光雷达的专利申请量开始迅猛增长，每年申请量均在220件以上，2013年至2015年的申请量分别达到312件、395件以及344件。相比之下，国内激光雷达的专利申请量在2007年以前均未破百，但从2007年开始，专利申请量直线上升，2015年以及2016年达到高峰，分别为607件、776件。由此可见，近几年该技术的国内申请量超过国外申请量，这在一定程度上反映了国内各企业、科研机构在激光雷达技术方面进行了大量研发。

      从申请人分布来看，提交专利申请最多的申请人是日产，其次是三菱电子、电装株式会社、博世、欧姆龙等，均是全球知名的自动化控制、汽车电子设备制造厂商，提交的专利申请多偏向于基础专利。可以说基于这些企业较为完备的专利布局，目前激光雷达技术在一定程度上已经相当成熟，这给国内企业造成了一定的技术壁垒。另外，虽然申请量排名靠前的均是日本车企，但是美国车企和德国车企（如Velodyne，Quanergy、通用、lbeo等）也拥有不容小觑的技术实力。笔者分析发现，国内申请人主要集中在高校以及研发机构，其中中国科学院上海光学精密机械研究所、哈尔滨工业大学、武汉大学、中国科技大学，以及一些新创企业如深圳市镭神智能系统有限公司、上海思岚科技有限公司均是激光雷达技术的主力研发主体。

      研究成果还需市场检验

      笔者分析发现，直到2004年，国外专利申请中涉及的激光雷达大多是单线束或者多线束机械旋转式结构，其主要通过机械旋转部件，带动激光发射、接收一起绕轴旋转，每束激光扫描一个平面来实现全方位角度的探测。其中，线束数量越多，激光雷达的测量精度以及分辨率就越高，但同时体积也越大，价格也更高。从市场角度来看，价格高、体积大这一劣势导致了激光雷达无法大规模应用。正因如此，低成本、小型化是目前新型激光雷达的重点研发方向。

      通过梳理激光雷达专利申请，笔者总结了目前实现低成本、小型化目标的3种方式：

      其一，利用微机电系统，即MEMS微振镜，把所有的机械部件都集成到单个芯片中，通过微镜驱动电路来带动MEMS微镜偏转以实现激光扫描。利用半导体工艺生产，使得整个激光雷达的结构简单，相比于传统的机械式转动平台驱动的激光雷达，MEMS微镜更易于精确地驱动与控制，也拥有更小的体积和重量、更低的功耗及成本。例如，丰田中央研究院于2008年提交的专利申请“光学扫描装置以及机载激光雷达设备”，通过驱动反射镜以及MESMS微镜，使得激光光源阵列的发射光束能够以预设的角度相对于光轴偏转，这种光学扫描方式使得车辆四周的障碍物相对于车辆的距离能够得以准确测定。又如哈尔滨工业大学于2014年提交的专利申请“基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统”，主要是利用MESM微镜结合扩角系统，来实现波长为1550纳米、入射光斑大小为1～2毫米的激光束对100米左右距离的目标进行60°大视场角扫描，具有扫描速度快、目标上光斑分辨率高等优点。

      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。

      总体而言，我国相关科研院校以及企业已经意识到激光雷达的小型化、低成本化是未来的发展趋势，且已经投入到新型化激光雷达的研制中。但是相比于国外专利申请，国内科研院校以及企业的专利申请多偏重于理论性研究，距走向大众市场还有一定距离。所以，将科研成果产业化是国产化新型激光雷达所需要解决的问题。

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