激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)方案、工作原理

激光雷達(dá)分類

根據(jù)掃描模塊結(jié)構(gòu)劃分，激光雷達(dá)可大致分為：機(jī)械式（Mechanical Lidar）、半固態(tài)、固態(tài)（Solid-State Lidar）三種。機(jī)械式指整體 360° 旋轉(zhuǎn)；半固態(tài)式指收發(fā)模塊靜止，僅掃描器發(fā)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)；固態(tài)式指無任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。

機(jī)械式激光雷達(dá)，是最早進(jìn)入市場(chǎng)、最成熟的一種技術(shù)路線。它是指的在垂直方向上排布多束激光器、通過電機(jī)帶動(dòng)光電結(jié)構(gòu) 360°旋轉(zhuǎn)，從而化點(diǎn)為線形成三維點(diǎn)云的方案，其線數(shù)與分辨率成正比，具有高分辨率、高測(cè)距的特點(diǎn)。

半固態(tài)激光雷達(dá)，因?yàn)榭赊D(zhuǎn)動(dòng)的部位更少，也就越穩(wěn)定，制造成本越低。比如轉(zhuǎn)鏡方案中，它的收發(fā)模塊保持不動(dòng)，電機(jī)在帶動(dòng)轉(zhuǎn)鏡運(yùn)動(dòng)的過程中將光束反射至空間的一定范圍，從而實(shí)現(xiàn)掃描探測(cè)。而微振鏡方案，則采用高速振動(dòng)的二維 MEMS 微振鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)空間一定范圍的掃描測(cè)量。

 Flash、OPA 等純固態(tài)激光雷達(dá)設(shè)計(jì)中沒有任何運(yùn)動(dòng)部件，理論上體積可縮到所有方案中最小，一直被認(rèn)為是車載激光雷達(dá)的終極形態(tài)。

 國(guó)內(nèi)主機(jī)廠選擇上車的激光雷達(dá)主要采用混合固態(tài)（包括轉(zhuǎn)鏡、棱鏡、MEMS）方案。究其原因主要有兩點(diǎn)：

 ·一是，混合固態(tài)較機(jī)械式激光雷達(dá)更易降低成本，同時(shí)與純固態(tài)（OPA、Flash）相比，技術(shù)相對(duì)成熟，更易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地。

 ·二是，轉(zhuǎn)鏡方案（法雷奧為代表）是第一個(gè)過車規(guī)、成本可控，可滿足車企性能要求，且實(shí)現(xiàn)批量供貨的技術(shù)方案。

小鵬 P5 搭載的 2 顆激光雷達(dá)（安裝在前保險(xiǎn)杠兩側(cè)），來自大疆 Livox 定制版車規(guī)級(jí) Horiz  浩界，采用雙棱鏡掃描方案，最大探測(cè)距離為 150m（@10%反射率），橫向視場(chǎng)角 120 度，角分辨率為 0.16°*0.2°，點(diǎn)云密度等效于  144 線激光雷達(dá)。

技術(shù)路線

機(jī)械式激光雷達(dá)

高線數(shù)機(jī)械式方案

通過電機(jī)帶動(dòng)光機(jī)結(jié)構(gòu)整體旋轉(zhuǎn)的機(jī)械式激光雷達(dá)是激光雷達(dá)經(jīng)典的技術(shù)架構(gòu)，其技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在系統(tǒng)通道數(shù)目的增加、測(cè)距范圍的拓展、空間角度分辨率的提高、系統(tǒng)集成度與可靠性的提升等。

半固態(tài)式激光雷達(dá)

轉(zhuǎn)鏡方案

轉(zhuǎn)鏡方案中收發(fā)模塊保持不動(dòng)，電機(jī)在帶動(dòng)轉(zhuǎn)鏡運(yùn)動(dòng)的過程中將光束反射至空間的一定范圍，從而實(shí)現(xiàn)掃描探測(cè)。轉(zhuǎn)鏡也是較為成熟的激光雷達(dá)技術(shù)方案，其技術(shù)創(chuàng)新體現(xiàn)之處與高線數(shù)機(jī)械式方案類似。

微振鏡方案

微振鏡方案采用高速振動(dòng)的二維振鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)空間一定范圍的掃描測(cè)量。微振鏡方案的技術(shù)創(chuàng)新體現(xiàn)在開發(fā)口徑更大、頻率更高、可靠性更好的振鏡，以適用于激光雷達(dá)的技術(shù)方案。

固態(tài)式激光雷達(dá)

OPA 方案

OPA 即光學(xué)相控陣技術(shù)，通過施加電壓調(diào)節(jié)每個(gè)相控單元的相位關(guān)系，利用相干原理，實(shí)現(xiàn)發(fā)射光束的偏轉(zhuǎn)，從而完成系統(tǒng)對(duì)空間一定范圍的掃描測(cè)量。OPA 技術(shù)取消了機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，是純固態(tài)式激光雷達(dá)的一種發(fā)展方向。

電子掃描方案

電子掃描方案中按照時(shí)間順序通過依次驅(qū)動(dòng)不同視場(chǎng)的收發(fā)單元實(shí)現(xiàn)掃描，系統(tǒng)內(nèi)沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，是純固態(tài)激光雷達(dá)的一種發(fā)展方向。其架構(gòu)比整體曝光所有收發(fā)單元的 Flash 固態(tài)式激光雷達(dá)更先進(jìn)。

FMCW 激光雷達(dá)

連續(xù)波調(diào)頻方案

FMCW 激光雷達(dá)發(fā)射調(diào)頻連續(xù)激光，通過回波信號(hào)與參考光進(jìn)行相干拍頻得到頻率差，從而間接獲得飛行時(shí)間反推目標(biāo)物距離，同時(shí)也能夠根據(jù)多普勒頻移信息直接測(cè)量目標(biāo)物的速度，其技術(shù)發(fā)展方向?yàn)槔�用硅基光電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)系統(tǒng)的芯片化。

激光雷達(dá)分類

根據(jù)有無機(jī)械部件來分，激光雷達(dá)可分為機(jī)械激光雷達(dá)和固態(tài)激光雷達(dá)。其中，機(jī)械激光雷達(dá)帶有控制激光發(fā)射角度的旋轉(zhuǎn)部件，而固態(tài)激光雷達(dá)則無需機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，主要依靠電子部件來控制激光發(fā)射角度。固態(tài)激光雷達(dá)被認(rèn)為是未來的大勢(shì)所趨，但目前占據(jù)主流地位的仍然是機(jī)械激光雷達(dá)。

·機(jī)械激光雷達(dá)主要由光電二極管、MEMS 反射鏡、激光發(fā)射接受裝置等組成，其中機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件是指可 360° 控制激光發(fā)射角度的 MEMS 發(fā)射鏡。

·固態(tài)激光雷達(dá)則與機(jī)械激光雷達(dá)不同，它通過光學(xué)相控陣列（Optical Phased Array，OPA）、光子集成電路（Photonic  IC）以及遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖（Far Field Radiation Pattern）等電子部件代替機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光角度的調(diào)整。

由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所差別，兩種激光雷達(dá)的大小也不盡相同，機(jī)械激光雷達(dá)體積更大，總體來說價(jià)格更為昂貴，但測(cè)量精度相對(duì)較高。而固態(tài)激光雷達(dá)尺寸較小，成本低，但測(cè)量精度相對(duì)會(huì)低一些。

此外，相比固態(tài)激光雷達(dá)，機(jī)械激光雷達(dá)有一個(gè)更為明顯的優(yōu)勢(shì)就是其 360°  視場(chǎng)，可以在機(jī)器人或汽車的頂部固定安裝一個(gè)激光雷達(dá)，便可360°感知周圍環(huán)境。反觀固態(tài)激光雷達(dá)，需要固定在某些適當(dāng)?shù)奈恢�，視�?chǎng)角一般在 120°  以內(nèi)。因此，如應(yīng)用于無人車中，至少需要用到 4 臺(tái)才能達(dá)到機(jī)械式激光雷達(dá)一樣的覆蓋范圍，數(shù)量越多，也意味著成本越高。

固態(tài)激光雷達(dá)還有另一個(gè)不大明顯的優(yōu)勢(shì)，人眼安全法規(guī)允許運(yùn)動(dòng)的激光源發(fā)射比固定激光源更高的功率。所有1級(jí)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須確保人員不眨眼直視激光設(shè)備數(shù)秒鐘，仍然不會(huì)受到傷害。

固態(tài)激光雷達(dá)

目前，固態(tài)激光雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)方式有微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、面陣閃光（Flash）技術(shù)和光學(xué)相控陣（OPA）技術(shù)。

·MEMS 采用微掃描振鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行激光束偏轉(zhuǎn)，但是掃描范圍受限于振鏡的偏轉(zhuǎn)范圍。

·Flash 技術(shù)采用類似照相機(jī)的工作模式，感光元件的每個(gè)像素點(diǎn)可以記錄光子飛行的時(shí)間信息，由此能夠輸出具有深度信息的“三維”圖像，但該技術(shù)視場(chǎng)角（FOV）受限，掃描速率較低。

·OPA  掃描技術(shù)是基于微波相控陣列掃描理論和技術(shù)發(fā)展起來的新型光束指向控制技術(shù)，具有無慣性器件、精確穩(wěn)定、方向可任意控制等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理為：激光器功率均分到多路相位調(diào)制器陣列，光場(chǎng)通過光學(xué)天線發(fā)射，在空間遠(yuǎn)場(chǎng)相干疊加形成一個(gè)具有較強(qiáng)能量的光束；經(jīng)過特定相位調(diào)制后在光場(chǎng)的發(fā)射天線端產(chǎn)生波前的傾斜，從而在遠(yuǎn)場(chǎng)反映成光束的偏轉(zhuǎn)，通過施加不同相位，可以獲得不同角度的光束形成掃描的效果，無須機(jī)械掃描。

固態(tài)技術(shù)的緊湊芯片特性使得 LiDAR  不僅更堅(jiān)固，而且還有助于節(jié)省掃描儀內(nèi)的結(jié)構(gòu)空間，使掃描儀達(dá)到極小的尺寸并降低成本。由于體積小，固態(tài)激光雷達(dá)可以集成到車輛、基礎(chǔ)設(shè)施和建筑結(jié)構(gòu)中。特別是在汽車領(lǐng)域，“得固態(tài)  LiDAR 者，得自動(dòng)駕駛天下”已成為行業(yè)共識(shí)，為汽車 LiDAR 傳感器提供同時(shí)具有美觀和魯棒性的解決方案。

我國(guó)的 鐳神智能、北科天繪、速騰聚創(chuàng)、禾賽科技 等已經(jīng)開始在 MEMS 激光雷達(dá)領(lǐng)域展開研究，但仍未大規(guī)模商用；LeddarTech、北醒科技、光珀智能、華科博創(chuàng) 等公司在 Flash 激光雷達(dá)領(lǐng)域不斷推出產(chǎn)品。Quanergy 公司將相控陣列激光雷達(dá)引入商業(yè)視野，正研發(fā)適用于車內(nèi)傳感系統(tǒng)和無人駕駛汽車的全固態(tài)激光雷達(dá)。

總之，具有大掃描角度、高分辨率等性能的全固態(tài)、小型化激光雷達(dá)仍然需要進(jìn)一步的研究。

MEMS 激光雷達(dá)

MEMS 激光雷達(dá)是一種利用激光實(shí)現(xiàn)三維空間成像的傳感器，是自動(dòng)駕駛車輛中最為核心的傳感器。它利用 MEMS 微振鏡將出射激光在空間中做極快速的掃描，通過測(cè)量激光信號(hào)從而獲得立體空間中的距離信息。MEMS 激光雷達(dá)具有高分辨率、車規(guī)級(jí)可靠性和低成本的特點(diǎn)。

激光雷達(dá)是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，主要構(gòu)成要素包括發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)。激光雷達(dá)系統(tǒng)的核心組件主要有激光器、掃描器及光學(xué)組件、光電探測(cè)器及接收 IC，以及位置和導(dǎo)航器件等，可提供高分辨率的幾何圖像、距離圖像、速度圖像。

智能駕駛分為感知-決策-執(zhí)行層三個(gè)層級(jí)，感知層主要的傳感器包括攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)和紅外傳感器。關(guān)于自動(dòng)駕駛的傳感器配置，業(yè)內(nèi)主要有兩方陣營(yíng)，一方是以特斯拉為首的“視覺派”，另一方則以造車新勢(shì)力為主的“多傳感器融合派”，走攝像頭、激光雷達(dá)等多傳感器融合方案。

·視覺派是用攝像頭主導(dǎo)+毫米波雷達(dá)用于環(huán)境感知，優(yōu)點(diǎn)是低成本，缺點(diǎn)是在精度、視野和穩(wěn)定性上都有局限性。視覺派在 L2 及以下的自動(dòng)駕駛為主流，以攝像頭的數(shù)據(jù)為主導(dǎo)，本質(zhì)“輕數(shù)據(jù)重算法”，需要不斷提升算法能力。

·激光雷達(dá)、攝像頭、毫米波等多傳感融合方案，優(yōu)點(diǎn)是更高的精確度，但缺點(diǎn)是成本高昂，本質(zhì)為“重?cái)?shù)據(jù)輕算法”。

激光雷達(dá)產(chǎn)品按結(jié)構(gòu)可以分為發(fā)射系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)。按照光源波長(zhǎng)，激光雷達(dá)可分為近紅外激光（880nm/905nm）和中、遠(yuǎn)紅外激光（1350nm/1550nm），其中近紅外激光對(duì)人眼安全存在風(fēng)險(xiǎn)。按照掃描系統(tǒng)，可分為機(jī)械式、混合固態(tài)和固態(tài)激光雷達(dá)，其中激光雷達(dá)創(chuàng)新方案有  MEMS 振鏡方案，混合固態(tài)轉(zhuǎn)鏡以及雙棱鏡方案等。