1550nm激光雷达光源调研报告

目录 

1、激光雷达概述

1.1激光雷达介绍

1.2激光雷达光源关键参数

2、激光雷达应用背景

2.1无人驾驶领域

2.2军事领域

2.3服务机器人及测绘领域

3、1550nm激光雷达光源产品调研

3.1 国外1550nm激光光源产品

3.2 国内1550nm激光光源产品

1、激光雷达概述

1.1激光雷达介绍

LIDAR （Light Detection and Ranging)或者叫LADAR（Laser Detection and Ranging)激光探测和测距系统的简称。

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别：向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数信息。

一般激光雷达测距的步骤如下：首先将经过电光转换，将电脉冲转化成光脉冲信号，然后将光脉冲发射出去，经过一系列光学系统，目标返回到激光雷达的接收电路，接收电路经过一次光电转化，此次光电转换中的光信号和电信号的强度都较低，强度较低的电信号被后级处理电路中放大，强度较高的电信号被送至控制系统，控制系统对返回并转换、放大后的信号用预制好的手段处理。需要注意的是，通常采用半导体激光器作为发射光源，使用光电转换管作为接受电路。

从不同的发射激光的状态来看，可以将飞行时间测距大致分类为脉冲激光测距与连续激光测距。大部分LIDAR系统采用脉冲工作，尤其是测距的激光雷达。脉冲激光测距，雷达的发射机发出激光脉冲，通过光学系统望远镜照射目标，类似的光学系统“接收”测试目标的散射光，通过光电探测器转换成电信号处理。测试目标的距离通过激光发射到接收的时间和光速的关系来确定。连续激光测距，激光器发射连续的激光，通过对激光的相位调制，或者依赖多普勒频移效应。发射端激光和“接收”光的相位差和目标移动速度有直接的比例关系。

1.2激光雷达光源关键参数

对于LiDAR（激光雷达）来说，一种类型的激光并不能适用于所有情况：系统设计者需了解实际应用环境及性能需求后，才能对光源进行选择。激光本身就有助于提升整个系统的性能。比如，激光光束质量和发散角是负责LiDAR制图的横向（x轴和y轴）分辨率，而短脉冲持续时间和时间抖动则是负责纵向（z轴）的精度。再比如，脉冲能量是实现长程的关键参数，而高脉冲重复率则可提升扫描速度并提高数据吞吐量。激光性能考量因素高峰值功率（几十千瓦至几十兆瓦）脉冲（纳秒范围）的固态激光器已用于LiDAR数十年，尺寸、重量、成本、功耗、液体冷却、冲击与振动灵敏度，以及极端环境限制了LiDAR仪器在移动设备、空中和空间应用中的发展。固态激光器对于机载地形测绘，通常使用波长约为1µm的激光光源，这种波长可使光波在保证用眼安全的前提下将投射范围扩展到足够大。而对于海洋测绘（即海底和沿海地区的高分辨率测绘），常使用一种高能量的、频率倍增的532 nm的激光光源，这是由于绿色光的波长是纯水的高透波率与潜艇微粒的有限反向散射之间最合适的折中。如果单考虑成本和能耗，532 nm至1 µm的波长通常是有益的，但若要达到相对较远的距离，激光的强度就很容易超过1类激光安全极限。这种情况下，如果光波没有达到符合用眼安全的直径

（从而增加系统尺寸），激光发射就会对人眼造成伤害。

  不同波长激光眼损伤部位民用和商业应用中，保证用眼安全的激光器在高性能紧凑型LiDAR中越来越受欢迎。在用眼安全的波长范围内，当在地形测绘和避障中探测固体时，通常需要约红外激光器发射1.5 µm的波长。事实上，大气情况良好时，探测器在1.5 µm范围内是非常高效的。或者，约355 nm或更短的紫外线波长是保证用眼安全的大气LiDAR系统的最佳选择，因为大气微粒有相对较高的反向散射系数。除了考虑波长，脉冲持续时间是否也很重要？理想情况下，LiDAR的设计者们希望达到毫米到厘米级的纵向测量分辨率，因此应该考虑短脉冲持续时间。即便如此，非常短的脉冲（约几皮秒）也会导致激光光谱和接收机带宽的扩大，从而使信噪比变差。另一方面，脉冲超过1纳秒，噪声减少，但分辨率也会降低。使脉冲持续时间达到约几百皮秒（或亚纳秒），这是高纵向精度和信噪比的最佳权衡方案。

a)      对于非相干测距雷达激光光源的要求总结如下：

激光波长：理论上任何波长都可以使用；需要选择大气吸收低，目标反射度高的波长。人眼安全波长越来越受到重视。

输出功率：越高越好，但要考虑其他性能参数。

波长稳定性和准确度：要求不高，但是稳定的波长有助于通过对噪声的滤波提高系统的信噪比。

激光器的相干长度：无要求，最好非相干

激光器的光谱线宽：无要求

相对强度噪声（RIN）：不是很重要

抗震性能：通常不是很重要

工作温度范围：很重要，例如机载雷达

可靠性：重要

成本：较低

b)     对于相干测距雷达激光光源的要求总结如下：

激光波长：理论上任何波长都可以使用；需要选择大气吸收低，目标反射度高的波长。人眼安全波长越来越受到重视。

输出功率：越高越好，但要考虑其他性能参数。

波长稳定性和准确度：非常重要。

激光器的相干长度：相干长度必须要大于等于工作距离！

激光器的光谱线宽：必须非常窄。

相对强度噪声（RIN）：非常重要，决定了系统的灵敏度， RIN越低，系统的灵敏度越高。

抗震性能：非常重要，尤其是恶劣工作环境。

工作温度范围：很重要，例如机载雷达

可靠性：重要

成本：较高

c) 激光雷达系统激光器参数定义：

单脉冲能量：

一个脉冲所包含的能量，用字母E表示，单位焦耳（J）。单脉冲能量(J)=脉冲平均功率（W）/脉冲重复频率（sec-1), 通常为uJ到mJ量级。

脉冲重复频率：

每秒发射的脉冲数量，用PRF或者f表示，单位为赫兹（Hz), 千赫兹（kHz). 通常雷达系统的的脉冲重复频率为几十到几百kHz。

脉冲宽度：

脉冲持续的时间，用字母t表示，通常以脉冲的半高全宽（FWHM）来衡量；雷达系统中的脉冲宽度为ns到us量级，例如1ns、 10ns等。

光束发散角：

用于描述光束的发散程度，用符号（γ）表示，单位为毫弧度（mrad)。

d)激光雷达系统参数和激光器参数的关系如表2所示：

表2激光雷达系统参数和激光器参数的关系

2、激光雷达应用背景

激光雷达本身具备很多优点，如极高的距离分辨率和角分辨率、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强、比微波雷达的体积和重量小等。使得激光雷达在各个领域都有很好的应用。近年来，激光雷达被用于导航领域，如机器人、无人机的避障，和智能车的自动驾驶（包括辅助驾驶等不同级别）。由于应用场景的不同，在导航领域要求激光雷达能够快速扫描、动态处理数据并实时反馈，在精度方面相对要求较低，只需分辨清楚障碍物、行人、汽车等，垂直角分辨率一般在 1°左右。目前该领域高端硬件技术正在发展中，产品应用于各类智能车的原型车上，低端技术如应用于扫地机器人等低分辨慢响应已经实现量产。软件方面，由于目前各类无人车的研发公司均为互联网巨头或汽车巨头，如谷歌、百度、大众、宝马等，各公司均有自研算法，壁垒较高，也有少量创业公司面向市场提供了包含算法逻辑的解决方案给客户选择，但是非常基础，也需要客户进行进一步开发。

2.1无人驾驶领域

受无人驾驶概念近年走红的影响，激光雷达技术被科技行业提及的次数也渐渐频繁。激光雷达技术是无人驾驶汽车的关键核心技术之一，因测距精度高，方向性强，响应快，不受地面杂波影响等优势，且能有效提供车辆決策与控制系统所需之信息，成为目前无人驾驶环境感测最有效方案。

激光雷达在无人驾驶的两个核心作用：

(1) 3D建模进行环境感知。通过激光扫描可以得到汽车周围环境的3D模型，运用相关算法比对上一帧和下一帧环境的变化可以较为容易的探测出周围的车辆和行人。

(2) SLAM加强定位。激光雷达另一大特性是同步建图（SLAM），实时得到的全局地图，通过与高精度地图中特征物的比对，可以实现导航及加强车辆的定位精度。

车企对激光雷达提出要求：

测试距离≥200m+(@10%反射率)

帧率≥20Hz+

角度分辨率≤0.1°

视场角：120°×30°

一级人眼安全

通过车规标准测试

激光雷达方案：

  作为实现无人驾驶最佳路径的车用3D激光雷达将直接受益于无人驾驶汽车的销售增长，根据市场研究公司HIS预测，2035年全球无人驾驶汽车销量将达到1180万台，麦肯锡公司则认为无人驾驶解决方案成本达2万美金时将具有较大商业价值，而我们认为，随着技术进步和激光雷达规模化生产，预计2030年全球无人驾驶汽车渗透率有可能达到2%，带来114.4亿元3D激光雷达市场需求，至2035年，随着地方政策法规放开，渗透率将上升至10%，带来429亿元的车用3D激光雷达市场需求。

2.2军事领域

军事领域的应用是激光雷达最先被运用的地方。军事演习、飞机和无人机的目标物勘测、利用激光雷达，不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能。

激光雷达应用于军事领域的优点：

（1）指向性好，抗干扰能力强

激光雷达的光束具有方向性好，能量集中性强，所以应用在军事中的时候，对方很难截获光束，而且激光雷达的光束抗干扰能力强，外界的干扰因素基本上不起作用；

（2）探测性好

应用在军事领域时，由于各地地形不一致，受地形波的影响，存在微波雷达无法探测的盲区。激光雷达的工作原理是只有被激光照射的目标才能产生反射，所以受到地形波的影响不大。

在军事领域的应用还可以拓展到灾情救援、海底探测、卫星登月等等应用场景下。

2.3服务机器人及测绘领域

激光雷达可广泛应用于AGV叉车、家庭清洁机器人、娱乐机器人等移动机器人领域。据AGV产业网数据，2015年国内AGV销量为4280台，大部分限于运输用途，一般依赖固定导轨或者预设牵引路线辅助行走，从经济性角度，暂时无需搭载激光雷达，而AGV叉车作为AGV与叉车的综合体，2015年国内销售约300台，已有部分配置了3D激光雷达辅助行走。据草根调研，目前国内主流叉车企业生产的AGV叉车搭载的3D激光雷达均为进口，应用环境苛刻且成本过高，经济性并不明显，如德国Sick和瑞典TopoEyeAB产品单套价格约6-10万元。

激光雷达在测绘领域的应用有：快速获取数字高程模型、基础测绘的实施、精密工程测量、数字城市建设等。

目前家庭清洁机器人、娱乐及教育机器人主要配置的是二维激光雷达，技术更为成熟，单价较低（如思岚科技推出的第一台RPLIDAR A1产品批量化采购价格仅为600元），鉴于其对服务机器人产品性能提升较大，预计渗透率在2018年都将大幅提升至15%的水平，至2025年渗透率达40%。根据我们测算，2018年国内家庭清洁机器人、娱乐及教育机器人用激光雷达市场需求分别为1.52、0.57亿元，2025年分别增加至10.81、2.73亿元，市场需求较大。

3、1550nm激光雷达光源产品调研

目前，激光雷达应用光源基于大气吸收窗口的原理，一般选用700nm—1100nm，1550nm-1750nm这两个波段的红外光源。1550nm激光光源对于人眼更加安全。

3.1 国外1550nm激光光源产品

1、Bright Solutions(RPMClaser)

● Wavelength:1534nm

● pulse-width:10ns

● output-power:1mW

● pulse-energy:1mJ

● rep-rate:1Hz

2、Keopsys公司

PEFL-KULT系列产品为输出波长1.5μm的掺铒（Er） eye-safe脉冲光纤激光器，提供高峰值功率，高单脉冲能量的紧凑型光纤激光器模块。该激光器输出光束的M2<1.1。

● 1.5μm eye-safe 输出波长

● 单脉冲能可达100μJ

● 峰值功率可达15kW

● 输出脉冲宽度0.5ns-200ns

● 重复频率10Hz-1MkHz

● 工作温度-35℃- +65℃

  3、美国Redfern Integrated Optics Inc.(RIO)

Single longitudinal mode

• Ultra low phase noise and RIN             

• Low sensitivity to vibration and acoustic noise

• Narrow linewidth (< 3 kHz), long coherence length

• 1528nm-1565nm, ITU-T DWDM wavelength or custom

• Guaranteed mode hop free operation over life and temperature

• Wavelength tunability

• Unrivaled wavelength stability over life and temperature

• Excellent SMSR

• SMF or PMF pigtail options

• 0 to 70 °C operating case temperature

4、Orbits Lightwave

• Up to 350 mw pure oscillator     

   • 0.25-2.5W optical amplifier  

• <10 Hz Lorentzian linewidth

• <200 Hz linewidth over 1ms (optional)

• <1MHz/°C frequency stability

•> 75dB Optical Signal to Noise

• > 75dB Side-mode Suppression Ratio

• <-165dBc/Hz RIN

5、NP Photonics

• Narrow Linewidth <700Hz

• Ultra-Low Phase-Noise

• Excellent Frequency Stability

• Broad Mode-Hop-Free Tunability

• Comprehensive, User-Friendly Interface

• Low Sensitivity to Acoustic Noise

6、spectra-physics

VGEN-SP

Up to 20 W average output power

Up to 40 kW peak power

35–700 kHz (tunable) repetition rate

Narrow linewidth down to sub-100 pm 

3.2 国内1550nm激光光源产品

1、上海科乃特激光科技有限公司、上海瀚宇光纤通信技术有限公司

a) CoLID 1550nm 短脉冲激光光源（1-50ns）

产品特点:

● 人眼安全输出波长:1550nm
● 高峰值输出功率:6kW，
● 重复频率可调范围：1kHz-1MHz
● 脉冲宽度：1ns-50ns
● 单脉冲能量可达30uJ
● 近乎衍射极限的光束质量

b) 相干雷达光源: 1550nm 长脉冲单频保偏光纤放大器

产品特点:
● 人眼安全输出波长:1550nm        
● 单脉冲能量可达400uJ
● 重复频率可调范围：10-20kHz
● 脉冲宽度：200-2000ns
● 近乎衍射极限的光束质量M2<1.5

2、山东海富光子科技股份有限公司

高重频高脉冲能量（150μJ）1550nm单频脉冲型全光纤激光器

高平均功率：3W

高脉冲能量：150μJ

优质光束质量：M²≤1.6

3、香港amonics公司

Pulse energy up to 150μJ

Eye-safe wavelength – 1550nm

Linear polarization emission 

Pulse duration from 100 to 500ns

Pulse repetition rate from 10 to 20kHz

Narrow linewidth, down to 1.6kHz

Low RIN & phase noise

Wide operating temperature, from  -10 to +60°C

Maintenance free

High reliability