在汽車安全應用領域，雷達已不是最新技術，而聲納已被淘汰出局。如今，激光雷達（LiDAR）成為了遙感領域新寵，在自動駕駛汽車、智慧城市、安防監控、入侵探測和其它領域有著廣闊的應用前景。
今年1月，在美國內華達州拉斯維加斯舉行的國際消費類電子產品展覽會（CES 2020）上，激光雷達大放異彩，屬于它的時代或已來臨。
激光雷達制造商們的產品出現在機器人出租車、自動駕駛卡車、送貨無人機、停車場、公共交通工具、交通信號燈和電線桿，在數千平方英尺的空間內展示出一座智慧城市的縮影。
激光雷達技術已為主流安全應用做好準備？
業界對激光雷達市場前景的預測表示樂觀。根據Yole在《汽車和工業應用的激光雷達-2019版》報告中的預測，激光雷達市場將從2018年的13億美元增長到2024年的60億美元，其中汽車應用占據激光雷達市場的70%份額。據Grand View Research預測，全球激光雷達市場將從2018年的11億美元飆升至2025年的29億美元，復合年增長率（CAGR）將達到18%。而Inkwood Research對同一時期的CAGR預測更是高達23%，并指出“全球激光雷達市場增長的重要推動力是對更高安全性和更高精度的需求等。激光雷達在國土安全和國防領域發揮著重要作用，越來越多的應用都需要及時、精確的地理空間數據支持決策過程。”
激光雷達具有創建高分辨率3D圖像的優勢，這些圖像可識別探測范圍內所有物體的尺寸、方向和速度。相比傳統視覺傳感器，激光雷達可在任何光照條件下正常工作，且較難被“非法入侵”或“愚弄”，這是另一項極具吸引力的優勢。
安全技術與系統集成開發商則持保守態度，認為激光雷達的發展不會如此迅速。盡管這項技術極具吸引力且價格已有所下降，但與其它可替代技術相比，激光雷達的高昂成本使其依然只適用于小眾或對安全性要求很高的應用。以下是有關汽車激光雷達的發展對安全性應用影響的最新消息。
揭示各類激光雷達技術
激光雷達技術與雷達和聲納技術類似，通過發射光波，計算其返回所需時間并讀取其中信息以識別物體的尺寸、輪廓以及它們隨著時間變化的方向，這就是行業中常常提到的“飛行時間法”（Time-of-Flight, ToF）。然而，另一種源于汽車雷達技術的調頻連續波（FMCW）激光雷達的解決方案也開始引起大家的關注。激光雷達使用激光脈沖，與雷達使用的無線電波和聲納使用的聲波有所不同。
所有3D激光雷達技術都會創建3D點云，以構建如車輛、建筑物和行人等物體的形狀與特征。它有幾種不同的展現形式。
機械旋轉式激光雷達。旋轉式系統一直是激光雷達技術的主流表現形式，最具代表性的就是網聯汽車車頂上的“全家桶”。據美國知名科技博客媒體Ars Technica報道，“Velodyne于2007年左右就推出了激光雷達，該裝置將64顆激光器垂直堆疊，并以每秒多次的速度旋轉整個激光雷達。Velodyne的這一舉措開啟了現代激光雷達產業的發展。”旋轉式激光雷達雖然可以遠距離探測廣闊的視場范圍，但體積笨重且成本高昂，運動部件還需要定期維護。
來自另一家旋轉式激光雷達制造商Ouster的Damon Lavrinc稱，盡管機械旋轉式系統仍是"黃金標準"，但該技術已從使用宏觀的運動部件演進為硅基芯片。他說：“我們把傳統激光雷達公司使用的所有宏觀可見的運動部件以微型芯片的形式完成。”摩爾定律也在激光雷達中充分體現，短短幾年內，激光雷達的線束從16線束到32線束再到64線束，保持著成倍增長。“在CES 2020上，我們推出了128線束的高分辨率激光雷達。”Lavrinc補充道。
Postmates的自動送貨機器人依賴于Ouster的激光雷達，該公司最近完成了6000萬美元的股權和債務融資。去年年底，Postmates推出了第一代“自動漫游者”（即智能服務車）。該車輛使用攝像頭和激光雷達實現人行道導航，并配備了后勤人員遠程監控流動站，在有需要時進行實時控制。
總部位于加州森尼維爾的Quanergy也是一家旋轉式激光雷達制造商。該公司首席營銷官Enzo Signore稱，盡管他們在高端應用領域的光學相控陣（OPA）激光雷達上進行了創新，但旋轉式激光雷達M8依然適用于安全性應用。他表示，該產品具有360°的水平視場，每秒產生130萬脈沖的點云數據。Signore表示，與Qortex機器學習軟件配合使用，該解決方案旨在對行人和車輛進行分類，如在機場安檢處統計人流量。Signore舉例：一家制藥公司準備在距倉庫400米圍欄設置安防措施，而雷達有干擾問題，運動傳感器會受到大風天氣影響，最后選擇了激光雷達。“即使入侵者在70米以外，激光雷達也可以探測到入侵者，并分配一個身份ID，用戶就可以隨時追蹤他。假如入侵者闖入禁區，如離電子開關太近，則可以直接用攝像機對準他。”
但是，旋轉式激光雷達正在被固態激光雷達所取代，即基于芯片技術的解決方案，這種技術無需任何運動部件。開發商們正在對固態激光雷達進行研究，如微機電系統（MEMS）激光雷達、閃光（Flash）激光雷達和光學相控陣（OPA）激光雷達。
MEMS激光雷達。MEMS激光雷達中的光束操縱機構是一面可快速轉動的MEMS反射鏡，通過MEMS反射鏡的轉動實現對視場內物體的掃描探測。Luminar、AEye、Innoviz、速騰聚創、禾賽科技、鐳神智能、一徑科技和Blickfeld等MEMS激光雷達代表企業參加了CES 2020。MEMS激光雷達廠商指出，與機械旋轉式激光雷達相比，MEMS激光雷達成本更低、磨損更少，但MEMS反射鏡鏡面尺寸較小，限制了MEMS激光雷達的視場范圍。
MEMS激光雷達代表企業均表示會積極開發價格便宜的車規級產品（必須具備實時處理所有方向數據的功能），將有利于車規安全級激光雷達的發展，但現在還處于早期。AEye業務發展和戰略計劃副總裁Akram Benmbarek表示，他們的產品專注于實現遠距離探測、擴大視場范圍、提高分辨率。智慧城市移動市場規模很大，因此該公司取消了安全性應用的優先級戰略發展規劃。出于成本原因，Benmbarek表示，“現階段最適用安全性應用的客戶是需要保障基礎設施安全的企業以及政府機構。它們因面臨高風險，需要有效的防護措施和冗余的入侵探測。”
公司總部位于加州都柏林的AEye表示，他們的“Agile LiDAR”能夠實現掃描、收集和處理數據智能化，探測范圍超過300米，遠遠超出了其它大部分激光雷達的探測范圍。Benmbarek聲稱，這項技術可以“動態調整掃描模式，在單幀中聚焦于‘目標區域’，使其探測物體的能力是僅使用激光雷達產品的10到20倍。”
Florian Petit博士是激光雷達公司Blickfeld的創始人之一，該公司總部位于德國慕尼黑，已經開發出一種特殊的MEMS反射鏡，可以大幅擴大探測視場。Petit稱，為自動駕駛汽車開發所獲得的進步現已用于工業安全領域。客戶已經使用這項技術進行周界防護和入侵探測。他說道：“我們可以探測入侵者的位置和移動范圍，MEMS激光雷達可以沿著防護周界探測并識別入侵者的舉動。”
隱藏在指標背后的故事
縱觀激光雷達產品的規格，極易眼花繚亂，對某反射率物體的探測距離、垂直和水平分辨率、每秒點數、激光波長、角度精度、光束發散角、視野范圍等。要比較這些繁雜的參數信息存在較大難度。與所有安全設置一樣，數據只有在對具體應用正確理解后才能發揮作用。
位于Palo Alto的Luminar發言人Erin Freeley提供了一種機械解決方案，該解決方案表示“使用非MEMS技術讓一面較大的反射鏡對準激光束并接收物體的反射光”。這有助于探測和識別250米以內的物體。盡管大多數激光雷達使用905 納米激光（部分出于對人眼安全的考慮），但Luminar和AEye都使用1550納米激光，這使激光雷達的探測距離更遠或分辨率更高。
Flash激光雷達。根據德州儀器（TI）發布的《汽車激光雷達介紹》（An Introduction to Automotive LiDAR），Flash激光雷達的工作原理類似數碼相機，使用閃光燈捕捉返回的反射光。該方法不易產生圖像抖動，數據捕獲速度更快。但是，德州儀器也指出了Flash激光雷達的兩方面不足。首先，反射光會使激光雷達“致盲”。其次，全部照亮前方場景需要超強功率的光源，尤其是遠距離探測時。由大陸汽車（Continental Automotive）和LeddarTech等制造商生產的Flash激光雷達正應用于自動駕駛汽車。
位于北卡羅來納州達勒姆的Sense Photonics是個例外。該公司的業務發展總監Erin Bishop介紹稱，Sense Photonics帶來了針對工業應用的解決方案Sense One，該解決方案稱可在室外40米的范圍內對大型工作區域及其周邊環境成像，垂直分辨率是其它激光雷達的7.5倍，垂直視野（75°）是其它激光雷達（30°）的2.5倍。
OPA激光雷達。Ars Technica的解釋是“OPA芯片集成了一排發射器，可以通過調整發射器間信號的相對相位來改變電磁波束的方向。”Quanergy是使用這種方法的少數幾家公司之一，該公司剛剛推出了用于門禁控制和人流量計數的激光雷達S3-2。力策科技的OPA激光雷達采用“單一OPA發射+多通道OPA接收”，滿足激光雷達對分辨率、刷新率和視場角（FOV）等各項參數的要求，預計在2020年6~7月輸出激光雷達三維點云。
激光雷達成為主流應用尚需時日
安全技術與系統集成開發商和一些激光雷達制造商雖然對極力吹捧激光雷達的優勢，但同時也表示激光雷達作為主流應用的成熟時機尚未到來。位于中國北京的一徑科技的Tim Leckey承認：“攝像頭、雷達和聲納的成本仍遠低于激光雷達。”該公司致力于生產汽車MEMS激光雷達。Leckey表示：“一旦汽車激光雷達產量提高，價格就會隨之降低。”來自Ouster的Lavrinc也認為，對汽車激光雷達的資金投入和研究將使其更輕巧、便宜，從而為安全性應用“帶來和平利益”。
在對數十種激光雷達開展價格調查時發現，即便是在安全性應用中最便宜的型號，其價格也介于500至1000美元之間。具有卓越探測范圍和分辨率的旋轉式激光雷達，起售價約為3500美元，價格以此為分界點一路飆升。
“這種新興技術除了在特殊應用領域外，還未被真正使用。”Safeguards Consulting總裁Mark Schreiber說道。來自Convergint Technologies的Darin Dillon也同意這一觀點，他將激光雷達與雷達和其它入侵探測技術進行了比較，他表示激光雷達價格“非常昂貴”，“多數傳感器的價格在1500至15000美元之間。”
激光雷達也有其真正顯著的優勢。Schreiber指出，激光雷達的主要優勢在于“它為物理環境帶來了其它傳感器無法實現的高水準細節”，并將其與彩色視頻和黑白視頻進行了對比。激光雷達專家兼Visual Plan Security首席執行官Kelly Watt對激光雷達的前景持更為樂觀的態度，他表示：“激光雷達價格的不斷下降確實為安全性應用帶來了機遇。”
Schreiber說，激光雷達非常適合入侵探測和監控應用。“用戶可以明確知道任意時間點物體發生的移動或變化，如某個人何時進入了某個區域。如果部署合理，它可以為用戶提供對人和物體的物理測量。”他說道，這項極具潛力的應用技術可以讓人們與美術館中的精美作品保持禮貌距離。
合作伙伴
Schreiber表示，正如很多公司已經行動的那樣，成功的激光雷達公司將與洞悉市場需求的安全公司合作。Quanergy已與Milestone以及Genetec展開合作。總部位于加州圣何塞的激光雷達制造商Cepton與CNL Software聯手，后者開發物理安全信息管理平臺軟件。Velodyne與迪拜、捷克共和國和韓國的安全合作伙伴合作。AEye和一徑科技等汽車激光雷達公司也正在尋求安全合作伙伴。“用戶不會專門為激光雷達去創建全新的系統。”Schreiber說道，激光雷達必須與合適的應用相匹配，并與其它技術有效集成。
