激光雷達分類

根據(jù)掃描模塊結構劃分，激光雷達可大致分為：機械式（Mechanical Lidar）、半固態(tài)、固態(tài)（Solid-State Lidar）三種。機械式指整體 360° 旋轉；半固態(tài)式指收發(fā)模塊靜止，僅掃描器發(fā)生機械運動；固態(tài)式指無任何機械運動部件。

機械式激光雷達，是最早進入市場、最成熟的一種技術路線。它是指的在垂直方向上排布多束激光器、通過電機帶動光電結構 360°旋轉，從而化點為線形成三維點云的方案，其線數(shù)與分辨率成正比，具有高分辨率、高測距的特點。

半固態(tài)激光雷達，因為可轉動的部位更少，也就越穩(wěn)定，制造成本越低。比如轉鏡方案中，它的收發(fā)模塊保持不動，電機在帶動轉鏡運動的過程中將光束反射至空間的一定范圍，從而實現(xiàn)掃描探測。而微振鏡方案，則采用高速振動的二維 MEMS 微振鏡實現(xiàn)對空間一定范圍的掃描測量。

 Flash、OPA 等純固態(tài)激光雷達設計中沒有任何運動部件，理論上體積可縮到所有方案中最小，一直被認為是車載激光雷達的終極形態(tài)。

 國內主機廠選擇上車的激光雷達主要采用混合固態(tài)（包括轉鏡、棱鏡、MEMS）方案。究其原因主要有兩點：

 ·一是，混合固態(tài)較機械式激光雷達更易降低成本，同時與純固態(tài)（OPA、Flash）相比，技術相對成熟，更易實現(xiàn)商業(yè)化落地。

 ·二是，轉鏡方案（法雷奧為代表）是第一個過車規(guī)、成本可控，可滿足車企性能要求，且實現(xiàn)批量供貨的技術方案。

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

技術路線

機械式激光雷達

高線數(shù)機械式方案

通過電機帶動光機結構整體旋轉的機械式激光雷達是激光雷達經(jīng)典的技術架構，其技術發(fā)展的創(chuàng)新點體現(xiàn)在系統(tǒng)通道數(shù)目的增加、測距范圍的拓展、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

轉鏡方案

轉鏡方案中收發(fā)模塊保持不動，電機在帶動轉鏡運動的過程中將光束反射至空間的一定范圍，從而實現(xiàn)掃描探測。轉鏡也是較為成熟的激光雷達技術方案，其技術創(chuàng)新體現(xiàn)之處與高線數(shù)機械式方案類似。

微振鏡方案

微振鏡方案采用高速振動的二維振鏡實現(xiàn)對空間一定范圍的掃描測量。微振鏡方案的技術創(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，以適用于激光雷達的技術方案。

固態(tài)式激光雷達

OPA 方案

OPA 即光學相控陣技術，通過施加電壓調節(jié)每個相控單元的相位關系，利用相干原理，實現(xiàn)發(fā)射光束的偏轉，從而完成系統(tǒng)對空間一定范圍的掃描測量。OPA 技術取消了機械運動部件，是純固態(tài)式激光雷達的一種發(fā)展方向。

電子掃描方案

電子掃描方案中按照時間順序通過依次驅動不同視場的收發(fā)單元實現(xiàn)掃描，系統(tǒng)內沒有機械運動部件，是純固態(tài)激光雷達的一種發(fā)展方向。其架構比整體曝光所有收發(fā)單元的 Flash 固態(tài)式激光雷達更先進。

FMCW 激光雷達

連續(xù)波調頻方案

FMCW 激光雷達發(fā)射調頻連續(xù)激光，通過回波信號與參考光進行相干拍頻得到頻率差，從而間接獲得飛行時間反推目標物距離，同時也能夠根據(jù)多普勒頻移信息直接測量目標物的速度，其技術發(fā)展方向為利用硅基光電子技術實現(xiàn)激光雷達系統(tǒng)的芯片化。

激光雷達分類

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

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

·固態(tài)激光雷達則與機械激光雷達不同，它通過光學相控陣列（Optical Phased Array，OPA）、光子集成電路（Photonic  IC）以及遠場輻射方向圖（Far Field Radiation Pattern）等電子部件代替機械旋轉部件實現(xiàn)發(fā)射激光角度的調整。

由于內部結構有所差別，兩種激光雷達的大小也不盡相同，機械激光雷達體積更大，總體來說價格更為昂貴，但測量精度相對較高。而固態(tài)激光雷達尺寸較小，成本低，但測量精度相對會低一些。

此外，相比固態(tài)激光雷達，機械激光雷達有一個更為明顯的優(yōu)勢就是其 360°  視場，可以在機器人或汽車的頂部固定安裝一個激光雷達，便可360°感知周圍環(huán)境。反觀固態(tài)激光雷達，需要固定在某些適當?shù)奈恢�，視場角一般�?120°  以內。因此，如應用于無人車中，至少需要用到 4 臺才能達到機械式激光雷達一樣的覆蓋范圍，數(shù)量越多，也意味著成本越高。

固態(tài)激光雷達還有另一個不大明顯的優(yōu)勢，人眼安全法規(guī)允許運動的激光源發(fā)射比固定激光源更高的功率。所有1級安全系統(tǒng)的設計必須確保人員不眨眼直視激光設備數(shù)秒鐘，仍然不會受到傷害。

固態(tài)激光雷達

目前，固態(tài)激光雷達的實現(xiàn)方式有微機電系統(tǒng)（MEMS）、面陣閃光（Flash）技術和光學相控陣（OPA）技術。

·MEMS 采用微掃描振鏡結構進行激光束偏轉，但是掃描范圍受限于振鏡的偏轉范圍。

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

·OPA  掃描技術是基于微波相控陣列掃描理論和技術發(fā)展起來的新型光束指向控制技術，具有無慣性器件、精確穩(wěn)定、方向可任意控制等優(yōu)點。其工作原理為：激光器功率均分到多路相位調制器陣列，光場通過光學天線發(fā)射，在空間遠場相干疊加形成一個具有較強能量的光束；經(jīng)過特定相位調制后在光場的發(fā)射天線端產生波前的傾斜，從而在遠場反映成光束的偏轉，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，無須機械掃描。

固態(tài)技術的緊湊芯片特性使得 LiDAR  不僅更堅固，而且還有助于節(jié)省掃描儀內的結構空間，使掃描儀達到極小的尺寸并降低成本。由于體積小，固態(tài)激光雷達可以集成到車輛、基礎設施和建筑結構中。特別是在汽車領域，“得固態(tài)  LiDAR 者，得自動駕駛天下”已成為行業(yè)共識，為汽車 LiDAR 傳感器提供同時具有美觀和魯棒性的解決方案。

我國的 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 激光雷達領域展開研究，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 激光雷達領域不斷推出產品。Quanergy 公司將相控陣列激光雷達引入商業(yè)視野，正研發(fā)適用于車內傳感系統(tǒng)和無人駕駛汽車的全固態(tài)激光雷達。

總之，具有大掃描角度、高分辨率等性能的全固態(tài)、小型化激光雷達仍然需要進一步的研究。

MEMS 激光雷達

MEMS 激光雷達是一種利用激光實現(xiàn)三維空間成像的傳感器，是自動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，通過測量激光信號從而獲得立體空間中的距離信息。MEMS 激光雷達具有高分辨率、車規(guī)級可靠性和低成本的特點。

激光雷達是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱，主要構成要素包括發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。激光雷達系統(tǒng)的核心組件主要有激光器、掃描器及光學組件、光電探測器及接收 IC，以及位置和導航器件等，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)行層三個層級，感知層主要的傳感器包括攝像頭、毫米波雷達、超聲波雷達、激光雷達和紅外傳感器。關于自動駕駛的傳感器配置，業(yè)內主要有兩方陣營，一方是以特斯拉為首的“視覺派”，另一方則以造車新勢力為主的“多傳感器融合派”，走攝像頭、激光雷達等多傳感器融合方案。

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

·激光雷達、攝像頭、毫米波等多傳感融合方案，優(yōu)點是更高的精確度，但缺點是成本高昂，本質為“重數(shù)據(jù)輕算法”。

激光雷達產品按結構可以分為發(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，激光雷達可分為近紅外激光（880nm/905nm）和中、遠紅外激光（1350nm/1550nm），其中近紅外激光對人眼安全存在風險。按照掃描系統(tǒng)，可分為機械式、混合固態(tài)和固態(tài)激光雷達，其中激光雷達創(chuàng)新方案有  MEMS 振鏡方案，混合固態(tài)轉鏡以及雙棱鏡方案等。