哪种激光雷达波长将主导汽车应用？

在高级驾驶辅助系统 (ADAS) 和自动驾驶汽车快速演进的格局中，激光雷达波长选择是塑造性能、成本和安全的关键决策。本文从技术、市场和经济因素审视当前近红外 (NIR) 激光雷达为何优于短波红外 (SWIR)，并提供基于证据的视角判断哪种波长可能胜出。

传感器融合：自主感知的支柱

ADAS 和自动驾驶依赖三大互补传感器：摄像头、雷达、激光雷达。各模态贡献独特优势——摄像头视觉细节、雷达速度数据、激光雷达精确 3D 深度。融合这些流，车辆能构建稳健、冗余感知模型，对生命关键决策至关重要。

图 1：摄像头、雷达、激光雷达数据融合提供全面态势感知。

激光雷达市场动态

汽车激光雷达有望爆发增长，从 2020 年 3900 万美元增至 2025 年预计 17.5 亿美元，据 Yole Développement。超 100 家公司竞争，2020 年累计投资超 15 亿美元——远超随后 SPAC 驱动 IPO 潮。这种集中暗示不可避免整合，历史上以太网和 VHS 即是如此。

车企 OEM 要求传感器低成本、高可靠、能探测低反射率目标。当供应商满足这些标准，OEM 对底层波长技术基本无偏好。问题因此变为：哪种波长将占主导？

激光雷达架构：直接飞行时间 vs. 调频连续波

直接飞行时间 (dToF) 激光雷达仍是行业标准。发射短激光脉冲，测量返回时间计算距离，光速原理直接应用。调频连续波 (FMCW) 激光雷达，即相干激光雷达，混合发射和反射信号同步提取距离和速度。FMCW 提供引人优势但因复杂度和成本较高而少见。

图 2 展示典型 dToF 方框图，突出激光、光学收发器、探测器、信号处理链。

图 2：dToF 激光雷达系统核心组件。

厂商与波长选择

大多数商用激光雷达在 NIR 波长 (约 905 nm) 运行，因硅基光探测器和 GaAs 激光器廉价成熟。少数公司瞄准 SWIR (1.5 µm) 波长，利用更高眼部安全边际和潜在更长范围。表 1 列出关键玩家，区分 NIR 和 SWIR 产品组合。

表 1：选定激光雷达厂商及其波长侧重。

若干物理因素影响此分布：

• 905 nm 太阳辐照度约为 1550 nm 三倍，提高 NIR 系统环境噪声。
• 主导 NIR 探测的硅光二极管可在 CMOS 晶圆厂规模制造，降低成本提高良率。
• SWIR 传感器和激光器所需 III/V 材料 (InGaAs, InGaAsP) 昂贵、晶圆良率低、缺乏成熟供应链。

光探测器技术

光探测器将入射光子转电信号。PIN 光二极管，早期激光雷达传感器，无内部增益，难应对弱回波。雪崩光二极管 (APD) 提供中等增益但需高偏置且受非均匀性困扰。当前行业领跑者是单光子雪崩二极管 (SPAD)，提供高增益实现单光子计数。基于硅的 SPAD 阵列 (SiPM) 在 NIR 激光雷达中日益普及，而 SWIR SPAD 因集成挑战仍处萌芽。

图 4：激光雷达用光探测器演进。

激光源

两大激光架构主导市场：

• 边缘发射激光器 (EELs)——成本效、高输出，但难阵列化且呈温度驱动波长漂移。
• 垂直腔面发射激光器 (VCSELs)——顶部发射、易打包成阵列、效率提升中，但目前较贵。

EELs 和 VCSELs 均在 NIR (GaAs) 和 SWIR (InGaAsP) 波长可用，但 GaAs 晶圆更大更便宜，给 NIR 生产经济性优势。

图 5：边缘发射 vs. VCSEL 激光结构。

眼部安全考量

IEC-60825 规定许可暴露限值。NIR 光穿透角膜达视网膜，要求比主要被角膜吸收的 SWIR 更严格限值。因此 1550 nm 激光雷达可安全发射更高峰值功率，改善光子返回。尽管如此，合规设计无论波长均须核算脉冲能量和光束发散。

图 6：IEC-60825 眼部安全暴露限值。

性能对比

同架构 dToF 系统级建模——用 16 通道探测器和 80° 水平扫描——显示：

• 1550 nm 激光雷达对低反射率目标以 99% 概率达 ~500 m 范围。
• 905 nm 激光雷达同条件下维持 >200 m 范围。
• SWIR 性能在雨/雾中因更高水吸收而更快退化。

图 10 展示仿真数据，确认 NIR 激光雷达满足汽车长距离要求，而 SWIR 提供的边际增益可能不足以证明成本合理。

图 10：范围概率 vs. 波长。

成本分析

据 IHS Markit (Amsrud, 2019)，SWIR 组件成本可达 NIR 对应物 10-100 倍。2025 年预估单通道成本 NIR 为 $2-10，SWIR 为 $155。鉴于激光雷达阵列含数十通道，成本差异成决定性因素，特别是对成本敏感 OEM 和工业用户。

表 3：NIR vs. SWIR 激光雷达组件成本对比。

结论

虽然 SWIR 激光雷达在范围和眼部安全上有理论优势，但当前生态系统——成熟硅光子学、更低激光成本、成熟供应链主导——使 NIR 成为当今汽车应用的务实选择。NIR 激光雷达已满足长距离性能目标且成本效益高得多，确保其持续主导，直到 SWIR 技术成熟规模化。未来十年可能发生整合，镜像汽车传感器市场历史变迁。

参考文献

• Yole Développement (2020). LiDAR for Automotive and Industrial Applications – Market and Technology Report 2020.
• Amsrud, P. (2019). The race to a low-cost LIDAR system. Automotive LIDAR 2019, Detroit, MI. IHS Markit.
• Hadji, B. (2023). Director of Business Development, Automotive Sensing, ON Semiconductor.

原文发布于 EE Times。

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