车载防撞激光雷达技术专利分析

赵雅琴　杨喆

摘 要：该文介绍了车载防撞激光雷达系统技术发展情况，统计分析了专利申请量趋势、专利申请产出国目标国分布情况、国内外重要申请人信息，对国内外重点企业进行对标分析，对国内企业发展该项技术及进行专利布局提供参考依据。

关键词：车载防撞 激光雷达 雷达测距

中图分类号：TN958.98文献标识码：A文章编号：1003-9082（2019）08-0-03

一、引言

汽车行业的高速发展为人们的出行提供了便利，但与之相对的，汽车行车安全成为了不容忽视的问题。汽车交通事故的频频发生给人们带了巨大的经济损失以及人生安全的威胁。车载防撞雷达技术应运而生，车载防撞雷达成为降低车祸事故的重要手段，其应用必然会给社会带来巨大的经济效益。

防撞雷达的工作原理是对电磁波发射后遇到障碍物反射形成的回波进行检测和计算，从而得到车辆与各方向目标的相对速度和距离。汽车防撞系统通常由三部分组成：（1）雷达装置：采用超声波、激光、红外线等测定障碍物与汽车的距离;（2）处理装置：基于预先存储的程序，判断出是否有碰撞危险，并向驾驶员发出警报，若驾驶员未能及时采取措施，则向制动器等装置发出指令，以采取安全防护措施;（3）执行装置：通常采用灯光信号或伴随声音信号来实现警报，也可根据指令执行制动器制动、开启安全气囊、拉紧安全带等保护措施。其中，关键部分是用于采集数据，探测周围环境的雷达装置，雷达装置探测环境的效果直接决定了汽车防撞雷达的作用效果。相较于超声波、微波雷达等，激光具有高单色性、方向性和相干性强的特点，光束能量集中，很少扩散，适用于远距离测量，满足汽车安全防护的条件。我国在总结汽车工业发展经验的基础上，为有效地缩短与发达国家的差距，尽快赶上或部分超越发达国家的先进水平，防范发达国家在该领域已经显现出来的技术垄断，有效保护与促进该领域民族工业的安全与发展，国务院已将“重点开发交通事故预防预警、应急处理技术，开发运输工具主动与被动安全技术” 列入2006一2020年《国家中长期科学和技术发展规划纲要》[1]。汽车防撞雷达系统技术研究工作的重要性不言而喻。

作为车载防撞激光雷达系统最重要的传感器之一，车载激光雷达在汽车安全、自动驾驶等领域中扮演的角色越来越重要。激光测距技术向着高精度，小型化，人眼安全的方向发展[2]。日产、丰田、通用等国际汽车巨头在其汽车安全防撞系统中都采用了激光雷达系统，诸如谷歌、百度、宝马、博世、德尔福、大陆等企业，都在其自动驾驶系统中使用了激光雷达，带动车载激光雷达产业迅速扩大。以前国内采用的车载激光雷达大多是Velodyne、Ibeo等国外公司的产品，但近几年一些国内科技公司，如速腾聚创、巨星科技等，自主研发出车载激光雷达产品，打破了该领域内原有的垄断局面。自动驾驶的普及对车载防撞激光雷达提出了更高的要求，推动激光雷达向小型化、低成本发展。

二、车载防撞激光雷达专利态势

1.专利申请量趋势分析

经检索，截至2016年6月30日，车载防撞激光雷达技术历年申请量如图1所示。国际上对于车载防撞雷达的研究始于20世纪60年代，从统计结果也可以看出，1972年开始陆续出现相关专利申请，并且申请量在1985至1989年有小幅增长，此时车载防撞激光雷达技术的研究还处于摸索阶段，各国研制出的防撞雷達效果并不好，而到了1991年，专利申请量开始迅速增长，并于1994年超过一百件，该阶段相关技术理论及其器件集成技术的高速发展，使得研制出成本低、性能高的车载防撞激光雷达成为可能，在此之后申请虽然有所减少，仍保持每年100件左右的申请量。到2009年，美国对于汽车防碰撞报警系统的研究进一步推动了防撞雷达的发展，此后专利申请量也迅速增长，并且到2014年后超过两百件的年申请量。

车载防撞激光雷达技术国内专利历年申请量如图2所示。其中国内申请包括本国申请以及国外在华申请。1999年，国外专利申请出现低谷，申请量有所降低。此时国内的申请量开始增长，到了2001年国内申请量明显开始增加，并且其中占比重较大的是国外在华申请，该阶段他国有意转向中国发展相关技术产业，开始在中国进行战略部署。

相比于其他发达国家，我国对于车载防撞雷达的研究起步较晚，从“本国申请”的专利申请量变化曲线可以看出，我国的专利申请从20世纪初才刚起步，从2001年开始专利申请量呈上升趋势，到2008年超过了20件的年申请量，之后略有下降，从2010年开始再次快速增长，在2011年一度达到了40件左右，在2011年至2014年申请量在四十件左右波动，到2015年迅速增长。我国虽然起步较晚，但关于车载防撞激光雷达的研究发展较为迅速，这也是其他国家在中国的专利申请量提高的原因之一。

2.专利申请地域分布

产出国指的是专利申请来源的国家，也就是该专利技术的原创国，在一定程度上可以体现该国家的相关技术研究及发展情况，通常专利申请量较多的国家，在该技术领域处于综合实力领先的状态，其相关技术的研究能力以及技术实力更强。国内外车载防撞激光雷达技术专利申请产出国统计结果如图3所示，从车载防撞激光雷达技术专利申请产出国的整体分布情况可以看出，申请量较多的国家依次为日本、德国、中国和美国。日本的汽车行业较为发达，其在车辆安全控制方面研究比较早，专利申请量远高于其他国家。德国也属于研究防撞雷达装置最早的国家之一，其专利申请量在发达国家中排名第二。美国防撞雷达的研究虽然与日本和欧洲相比起步较晚，但其技术发展很快，美国的汽车防撞技术目前已经是世界领先的水平，从其专利申请量在发达国家中仅次于日本和德国也可以看出美国在防撞激光雷达技术领域的研究已经较为成熟。我国的专利申请量虽然与德国、美国等国家的申请量差不多，但不能说明我国关于防撞激光雷达技术的研究已处于领先水平。

车载防撞激光雷达技术专利申请目标国如图4所示。日本因其本国申请量巨大，占据了目标国首席。美国汽车市场庞大，仅次于日本。德国汽车市场相对成熟，排在技术目标国第三位。中国汽车市场近几年高速发展，在世界汽车市场占据重要地位，本国申请和外来申请都很多，排在技术目标国的第四位。

3.专利申请人信息分析

图5所示为全球申请人中排名前15的申请人的申请状况。在前十五的主要申请人中，日本申请人占了9位，，在前十的主要申请人中，占了6位，可以说日本在激光防撞雷达的技术研究以及专利布局已经走在了世界先列。而作为老牌工业强国、汽车大国，同时也是汽车始祖的德国仅次于日本，在前十五的主要申请人中占据了4个席位。而美国作为汽车大国，通用（GM GLOBAL）也在前十的主要申请人之中占据了一席之地，在前十五的申请人中还有美国谷歌公司（Google），同时法国法雷奥公司（Valeo）也位于前十。由专利的数量来看，日本专利的数量遥遥领先于其他各国，且日本在前十五的主要申请人中也占据最多的席位，可见日本在该领域的强悍。我国由于汽车行业起步较晚，且对于一些高新领域还稍显薄弱，因此专利数量不多，但从另一方面看来，中国在该领域还有巨大的发展潜力，充分了解国外在车载激光防撞雷达的技术情况有助于我国更好地发展。

如图6所示，国内专利主要申请人依然是国外申请人占据了前排位置，日本、德国和法国在申请数量上遥遥领先，且相比于全球申请，在国内申请中，美国申请所占的比重变大，可看出美国在车载激光防撞雷达技术领域，对于中国市场更加重视。在国内前十一的主要申请人中，国内申请人为长安大学和奇瑞汽车，分别占据第 5位和第11位，并且在数量上只占了总量的一小部分，由此可知，国内在该领域的发展以及专利布局上还有很长一段路要走。

三、国内外重点企业对标分析

为研究国内外主要申请人专利申请的技术发展以及专利布局情况，在全球以及国内主要申请人中挑选了最具有代表性的三家公司进行分析。

1.丰田专利布局情况分析

丰田公司在车辆自动驾驶技术领域处于世界领先地位，车载激光雷达作为自动驾驶中的重要技术，是丰田公司的重要研究项目之一。如图7所示，丰田公司在车载激光防撞雷达领域专利申请由1987年开始，此时激光雷达刚刚应用于车载防撞技术中，在随后的几年里，相关申请量有小幅度增长，并处于一个小幅波动状态，这也是由于激光雷达技术在1993-2007年之间处于一个平稳发展阶段，激光雷达本身由于技术问题以及成本问题并没有大量投入产业使用，但作为一个热门研究项目，使得丰田公司一直致力于该领域技术的研发，为往后占据车载激光防撞技术市场做准备;从2007年开始车载激光防撞雷达专利申请量出现了大幅度的增长，尤其是在2011-2012年出现申请量的高峰，这也契合了激光雷达技术的稳定发展。在迎来了2013年申请的低谷后，2014年至今激光防撞雷达的申请量保持一个较高的水平，显然自动驾驶技术的飞速发展推动了车载激光防撞雷达的发展。

丰田公司的主要产业目标国为日本、欧美以及中国，由图8可以看出，丰田公司在日本本国的专利申请量占据将近一半的比例，其次作为汽车大国——美国国内的申请量占比排名第二，而对于日本汽车出口目标大国的中国，丰田公司的申请量占比排名第三。由此可见丰田公司对中国市场的重视，其在中国申请了大量的专利，仅在车载激光防撞雷达技术领域一项就进行了严密的专利布局。

丰田早在20世纪80年代就开始将激光雷达应用于车辆防撞当中，1997年申请的US6199001，ON-VEHICLE RADAR DEVICE，公开了一种车载雷达装置，通过激光雷达探测前方不同区域内所存在的目标车辆以达到防撞的目的。如图9所示，该公司在车载激光雷达各技术分支均有所布局，其中又以探测方法和探测系统辅助装置为主。探测方法是车载激光防撞雷达技术基础，准确的目标测量直接影响到防撞系统的工作效果，2001年申请的专利US2002003489，Method and apparatus for recognizing object，通过激光雷达探测前方一定范围内目标障碍物的距离以达到车辆防撞的目的，并通过计算目标重复可能性准确分辨障碍物;2004年申请的专利CN100549724，物体探测系统和物体探测方法，在雷达探测到目标后，对成像结果进行分析对照，以此分辨障碍物;2014年，CN105793731，自主移动对象，两个距离传感器配合距离测量，综合探测目标距离，该专利在中国已授权，上述探测方法均是以提高目标识别准确性为目的。2015年底丰田在硅谷建立新的研究机构——丰田研究所，研发与自动驾驶和机器人相关的人工智能技术，该阶段的车载激光雷达系统技术领域专利成果也颇丰。

丰田的自动驾驶系统大多直接采用Velodyne、Luminar等供应商生产的激光雷达传感器，因而针对激光雷达技术分支的专利申请较少。但值得注意的是，为自动驾驶车辆提供关键传感器的Luminar公司得到了丰田3600万美元投资，双方合作研发自动驾驶车辆平台，可见未来在激光雷达技术领域会有一定的突破。

2.博世专利布局情况分析

博世在汽车技术方面同样处于全球领先地位，作为以严谨认真而闻名的德国工业企业，其技术在全球都享受美誉，作为进入中国较早的国外企业，其在中国的发展十分迅猛，在车载激光防撞雷达技术方面也是日本企业以及中国企业的强力竞争对手。如图10所示，与丰田公司相比，博世在车载激光防撞雷达技术领域起步较晚，但其申请量一直处于一个较稳定的状态，在2004年至今一直保持一个稳定的较高的申请水平，这也是基于博世在汽车技术领域强悍的实力。图11可以看出，博世也是注重在欧美国家、中国及日本进行专利布局。

博世在车载激光防撞雷达技术领域中的专利布局与丰田类似，辅助装置以及测距方法占有比重较大。同样值得关注的是，博世正在开发用于更复杂场景并且满足自动驾驶的传感器，其旗下投资公司完成了对固态激光雷达公司TetraVue的一项投资，TetraVue公司是超高分辨率3D数据和图像领域的领军企业，该项投资合作为博世研发激光雷达及提升自动驾驶系统性能提供了有力支持。

3.奇瑞專利布局情况分析

奇瑞汽车股份有限公司产品覆盖乘用车、商用车和微型车等领域，9年蝉联中国自主品牌销量冠军，成为中国自主品牌的代表。奇瑞在新能源车、自动驾驶等方面在国内自主汽车品牌中处于领先地位，是最早一批进攻该领域的国产自主品牌之一。在车载激光防撞雷达技术领域奇瑞也为中国做出了一份贡献，其相关专利申请量居于全国第二，11件专利申请中4件授权，其他申请由于申请日较晚，还处于在审状态。虽然在数量上与国外企业还有一定差距，但其在该领域所做出的努力有目共睹。主要专利参见表1。

总而言之，国内企业在车载激光防撞雷达技术领域中的竞争力处于相对劣势状态，无论是从专利的数量还是专利的质量上都与国外企业存在不小的差距。但是，近几年国内相关技术发展迅速，不容小觑，在了解国外专利布局的基础上，国内企业可以进行有效规避，针对性地发展自身技术，或者是效仿国外企业，与激光雷达供应商进行合作，共同研发自动驾驶系统，以取长补短。

参考文献

[1]于洋，激光探测汽车主动防碰撞技术与系统研究[D]，中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑，第5期，2012，I135-22

[2]Kilpela A. Pulsed time-of-flight laser range finder techniques for fast， high precision measurement applications [J]. 2004

作者简介：赵雅琴（1990.8-），女，汉，湖北咸宁，理学硕士研究生，研究实习员，国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心光电技术发明审查部实审审查员，审查领域：无线电定位、导航、测距等技术。

杨喆（1990.8-），男，汉，湖北武汉，工学硕士研究生，研究实习员，国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心光电技术发明审查部实审审查员，审查领域：无线电定位、导航、测距等技术。

注：赵雅琴、杨喆同为第一作者