近年來，隨著自動(dòng)駕駛、機(jī)器人等熱門行業(yè)興起，推動(dòng)了核心感知傳感器的迅猛發(fā)展。其中，激光雷達(dá)因測量精度遠(yuǎn)高于毫米波雷達(dá)以及其他標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)，且具有使用環(huán)境限制較小等優(yōu)勢，成為了谷歌、百度、寶馬產(chǎn)品的傳感器首選。本文中，筆者以中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CNABS）和外文數(shù)據(jù)庫（VEN）已公開的專利文獻(xiàn)（檢索日期為2017年5月16日）為基礎(chǔ)，對激光雷達(dá)的專利申請進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以期為國產(chǎn)新型激光雷達(dá)的研發(fā)提供參考。
國內(nèi)專利申請后來居上
筆者通過專利檢索后發(fā)現(xiàn)，關(guān)于激光雷達(dá)的國外專利申請始于1959年，申請人來自德國，該專利申請用于軍事領(lǐng)域中的反坦克武器系統(tǒng)。直到20世紀(jì)初，該技術(shù)的發(fā)展一直較緩。從2001年起，國外激光雷達(dá)的專利申請量開始迅猛增長，每年申請量均在220件以上，2013年至2015年的申請量分別達(dá)到312件、395件以及344件。相比之下，國內(nèi)激光雷達(dá)的專利申請量在2007年以前均未破百，但從2007年開始，專利申請量直線上升，2015年以及2016年達(dá)到高峰，分別為607件、776件。由此可見，近幾年該技術(shù)的國內(nèi)申請量超過國外申請量，這在一定程度上反映了國內(nèi)各企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)在激光雷達(dá)技術(shù)方面進(jìn)行了大量研發(fā)。
從申請人分布來看，提交專利申請最多的申請人是日產(chǎn)，其次是三菱電子、電裝株式會社、博世、歐姆龍等，均是全球知名的自動(dòng)化控制、汽車電子設(shè)備制造廠商，提交的專利申請多偏向于基礎(chǔ)專利?？梢哉f基于這些企業(yè)較為完備的專利布局，目前激光雷達(dá)技術(shù)在一定程度上已經(jīng)相當(dāng)成熟，這給國內(nèi)企業(yè)造成了一定的技術(shù)壁壘。另外，雖然申請量排名靠前的均是日本車企，但是美國車企和德國車企（如Velodyne，Quanergy、通用、lbeo等）也擁有不容小覷的技術(shù)實(shí)力。筆者分析發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)申請人主要集中在高校以及研發(fā)機(jī)構(gòu)，其中中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、武漢大學(xué)、中國科技大學(xué)，以及一些新創(chuàng)企業(yè)如深圳市鐳神智能系統(tǒng)有限公司、上海思嵐科技有限公司均是激光雷達(dá)技術(shù)的主力研發(fā)主體。
研究成果還需市場檢驗(yàn)
筆者分析發(fā)現(xiàn)，直到2004年，國外專利申請中涉及的激光雷達(dá)大多是單線束或者多線束機(jī)械旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，其主要通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，帶動(dòng)激光發(fā)射、接收一起繞軸旋轉(zhuǎn)，每束激光掃描一個(gè)平面來實(shí)現(xiàn)全方位角度的探測。其中，線束數(shù)量越多，激光雷達(dá)的測量精度以及分辨率就越高，但同時(shí)體積也越大，價(jià)格也更高。從市場角度來看，價(jià)格高、體積大這一劣勢導(dǎo)致了激光雷達(dá)無法大規(guī)模應(yīng)用。正因如此，低成本、小型化是目前新型激光雷達(dá)的重點(diǎn)研發(fā)方向。
通過梳理激光雷達(dá)專利申請，筆者總結(jié)了目前實(shí)現(xiàn)低成本、小型化目標(biāo)的3種方式：
其一，利用微機(jī)電系統(tǒng)，即MEMS微振鏡，把所有的機(jī)械部件都集成到單個(gè)芯片中，通過微鏡驅(qū)動(dòng)電路來帶動(dòng)MEMS微鏡偏轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)激光掃描。利用半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)，使得整個(gè)激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)簡單，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)動(dòng)平臺驅(qū)動(dòng)的激光雷達(dá)，MEMS微鏡更易于精確地驅(qū)動(dòng)與控制，也擁有更小的體積和重量、更低的功耗及成本。例如，豐田中央研究院于2008年提交的專利申請“光學(xué)掃描裝置以及機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備”，通過驅(qū)動(dòng)反射鏡以及MESMS微鏡，使得激光光源陣列的發(fā)射光束能夠以預(yù)設(shè)的角度相對于光軸偏轉(zhuǎn)，這種光學(xué)掃描方式使得車輛四周的障礙物相對于車輛的距離能夠得以準(zhǔn)確測定。又如哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2014年提交的專利申請“基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學(xué)系統(tǒng)”，主要是利用MESM微鏡結(jié)合擴(kuò)角系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)波長為1550納米、入射光斑大小為1～2毫米的激光束對100米左右距離的目標(biāo)進(jìn)行60°大視場角掃描，具有掃描速度快、目標(biāo)上光斑分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。
其二，采用光學(xué)相控陣技術(shù)，即通過電信號來控制光發(fā)射陣列中每個(gè)發(fā)射單元的相位差，進(jìn)而改變激光的出射角度。相比于傳統(tǒng)機(jī)械掃描技術(shù)，由于激光光束完全由電信號控制，所以在允許的角度范圍內(nèi)可以做到任意指向，可以在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行有選擇性的高密度掃描或者稀疏掃描，這對于駕駛環(huán)境的感知尤其有效。同時(shí)，其掃描精度或指向精度高，可做到1/1000度量級以上。例如，美國Quanergy公司于2015年提交的“平面波束的形成以及光學(xué)相控陣芯片”，采用了其核心的相控陣技術(shù)的全固態(tài)激光雷達(dá)，能夠?qū)崟r(shí)三維測繪以及物體的跟蹤識別。目前，該全固態(tài)激光雷達(dá)已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)品化階段，可以說在相控激光雷達(dá)領(lǐng)域占據(jù)了絕對的壟斷優(yōu)勢。又如大連樓蘭科技股份有限公司于2015年提交的專利申請“基于車載激光雷達(dá)的光波導(dǎo)光學(xué)相控陣掃描系統(tǒng)”，利用光波導(dǎo)電光效應(yīng)，對波導(dǎo)芯層加載電壓，使得波束在波導(dǎo)真元輸出截面光場具有不同的相位差，進(jìn)而引起光束的偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光束的掃描。再如中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所于2008年提交的專利申請“電光控制二維激光光束掃描陣列”，該技術(shù)采用10個(gè)鈮酸鋰晶體光電開關(guān)單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元在電場控制下對光束方向90°偏轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)分束和定向。同一列的每個(gè)光開關(guān)單元發(fā)射角度是唯一確定的，通過改變出射面傾角的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)不同光束出射角度，可以靈活改變掃描范圍。
其三，混合固態(tài)激雷達(dá)技術(shù)，即在垂直于水平面方向均采用電子掃描技術(shù)，在水平方向則采用機(jī)械360°旋轉(zhuǎn)掃描。該技術(shù)主要具有掃描速度快、接收視場小、可承受高的激光功率等優(yōu)點(diǎn)。目前，美國Velodyne公司以及Quanergy公司已經(jīng)在市場上推出了相應(yīng)的半固態(tài)旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)，這類產(chǎn)品在激光雷達(dá)的小型化、降低成本方面都取得了很大的進(jìn)展。
總體而言，我國相關(guān)科研院校以及企業(yè)已經(jīng)意識到激光雷達(dá)的小型化、低成本化是未來的發(fā)展趨勢，且已經(jīng)投入到新型化激光雷達(dá)的研制中。但是相比于國外專利申請，國內(nèi)科研院校以及企業(yè)的專利申請多偏重于理論性研究，距走向大眾市場還有一定距離。所以，將科研成果產(chǎn)業(yè)化是國產(chǎn)化新型激光雷達(dá)所需要解決的問題。
國內(nèi)專利申請后來居上
筆者通過專利檢索后發(fā)現(xiàn)，關(guān)于激光雷達(dá)的國外專利申請始于1959年，申請人來自德國，該專利申請用于軍事領(lǐng)域中的反坦克武器系統(tǒng)。直到20世紀(jì)初，該技術(shù)的發(fā)展一直較緩。從2001年起，國外激光雷達(dá)的專利申請量開始迅猛增長，每年申請量均在220件以上，2013年至2015年的申請量分別達(dá)到312件、395件以及344件。相比之下，國內(nèi)激光雷達(dá)的專利申請量在2007年以前均未破百，但從2007年開始，專利申請量直線上升，2015年以及2016年達(dá)到高峰，分別為607件、776件。由此可見，近幾年該技術(shù)的國內(nèi)申請量超過國外申請量，這在一定程度上反映了國內(nèi)各企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)在激光雷達(dá)技術(shù)方面進(jìn)行了大量研發(fā)。
從申請人分布來看，提交專利申請最多的申請人是日產(chǎn)，其次是三菱電子、電裝株式會社、博世、歐姆龍等，均是全球知名的自動(dòng)化控制、汽車電子設(shè)備制造廠商，提交的專利申請多偏向于基礎(chǔ)專利?？梢哉f基于這些企業(yè)較為完備的專利布局，目前激光雷達(dá)技術(shù)在一定程度上已經(jīng)相當(dāng)成熟，這給國內(nèi)企業(yè)造成了一定的技術(shù)壁壘。另外，雖然申請量排名靠前的均是日本車企，但是美國車企和德國車企（如Velodyne，Quanergy、通用、lbeo等）也擁有不容小覷的技術(shù)實(shí)力。筆者分析發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)申請人主要集中在高校以及研發(fā)機(jī)構(gòu)，其中中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、武漢大學(xué)、中國科技大學(xué)，以及一些新創(chuàng)企業(yè)如深圳市鐳神智能系統(tǒng)有限公司、上海思嵐科技有限公司均是激光雷達(dá)技術(shù)的主力研發(fā)主體。
研究成果還需市場檢驗(yàn)
筆者分析發(fā)現(xiàn)，直到2004年，國外專利申請中涉及的激光雷達(dá)大多是單線束或者多線束機(jī)械旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，其主要通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，帶動(dòng)激光發(fā)射、接收一起繞軸旋轉(zhuǎn)，每束激光掃描一個(gè)平面來實(shí)現(xiàn)全方位角度的探測。其中，線束數(shù)量越多，激光雷達(dá)的測量精度以及分辨率就越高，但同時(shí)體積也越大，價(jià)格也更高。從市場角度來看，價(jià)格高、體積大這一劣勢導(dǎo)致了激光雷達(dá)無法大規(guī)模應(yīng)用。正因如此，低成本、小型化是目前新型激光雷達(dá)的重點(diǎn)研發(fā)方向。
通過梳理激光雷達(dá)專利申請，筆者總結(jié)了目前實(shí)現(xiàn)低成本、小型化目標(biāo)的3種方式：
其一，利用微機(jī)電系統(tǒng)，即MEMS微振鏡，把所有的機(jī)械部件都集成到單個(gè)芯片中，通過微鏡驅(qū)動(dòng)電路來帶動(dòng)MEMS微鏡偏轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)激光掃描。利用半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)，使得整個(gè)激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)簡單，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)動(dòng)平臺驅(qū)動(dòng)的激光雷達(dá)，MEMS微鏡更易于精確地驅(qū)動(dòng)與控制，也擁有更小的體積和重量、更低的功耗及成本。例如，豐田中央研究院于2008年提交的專利申請“光學(xué)掃描裝置以及機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備”，通過驅(qū)動(dòng)反射鏡以及MESMS微鏡，使得激光光源陣列的發(fā)射光束能夠以預(yù)設(shè)的角度相對于光軸偏轉(zhuǎn)，這種光學(xué)掃描方式使得車輛四周的障礙物相對于車輛的距離能夠得以準(zhǔn)確測定。又如哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2014年提交的專利申請“基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學(xué)系統(tǒng)”，主要是利用MESM微鏡結(jié)合擴(kuò)角系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)波長為1550納米、入射光斑大小為1～2毫米的激光束對100米左右距離的目標(biāo)進(jìn)行60°大視場角掃描，具有掃描速度快、目標(biāo)上光斑分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。
其二，采用光學(xué)相控陣技術(shù)，即通過電信號來控制光發(fā)射陣列中每個(gè)發(fā)射單元的相位差，進(jìn)而改變激光的出射角度。相比于傳統(tǒng)機(jī)械掃描技術(shù)，由于激光光束完全由電信號控制，所以在允許的角度范圍內(nèi)可以做到任意指向，可以在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行有選擇性的高密度掃描或者稀疏掃描，這對于駕駛環(huán)境的感知尤其有效。同時(shí)，其掃描精度或指向精度高，可做到1/1000度量級以上。例如，美國Quanergy公司于2015年提交的“平面波束的形成以及光學(xué)相控陣芯片”，采用了其核心的相控陣技術(shù)的全固態(tài)激光雷達(dá)，能夠?qū)崟r(shí)三維測繪以及物體的跟蹤識別。目前，該全固態(tài)激光雷達(dá)已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)品化階段，可以說在相控激光雷達(dá)領(lǐng)域占據(jù)了絕對的壟斷優(yōu)勢。又如大連樓蘭科技股份有限公司于2015年提交的專利申請“基于車載激光雷達(dá)的光波導(dǎo)光學(xué)相控陣掃描系統(tǒng)”，利用光波導(dǎo)電光效應(yīng)，對波導(dǎo)芯層加載電壓，使得波束在波導(dǎo)真元輸出截面光場具有不同的相位差，進(jìn)而引起光束的偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光束的掃描。再如中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所于2008年提交的專利申請“電光控制二維激光光束掃描陣列”，該技術(shù)采用10個(gè)鈮酸鋰晶體光電開關(guān)單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元在電場控制下對光束方向90°偏轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)分束和定向。同一列的每個(gè)光開關(guān)單元發(fā)射角度是唯一確定的，通過改變出射面傾角的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)不同光束出射角度，可以靈活改變掃描范圍。
其三，混合固態(tài)激雷達(dá)技術(shù)，即在垂直于水平面方向均采用電子掃描技術(shù)，在水平方向則采用機(jī)械360°旋轉(zhuǎn)掃描。該技術(shù)主要具有掃描速度快、接收視場小、可承受高的激光功率等優(yōu)點(diǎn)。目前，美國Velodyne公司以及Quanergy公司已經(jīng)在市場上推出了相應(yīng)的半固態(tài)旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)，這類產(chǎn)品在激光雷達(dá)的小型化、降低成本方面都取得了很大的進(jìn)展。
總體而言，我國相關(guān)科研院校以及企業(yè)已經(jīng)意識到激光雷達(dá)的小型化、低成本化是未來的發(fā)展趨勢，且已經(jīng)投入到新型化激光雷達(dá)的研制中。但是相比于國外專利申請，國內(nèi)科研院校以及企業(yè)的專利申請多偏重于理論性研究，距走向大眾市場還有一定距離。所以，將科研成果產(chǎn)業(yè)化是國產(chǎn)化新型激光雷達(dá)所需要解決的問題。
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