激光雷达系列（一）：原理、分类和发展趋势

huangguang

本篇是激光雷达系列的第一篇文章，主要介绍激光雷达的基本原理、分类和发展趋势。

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1. 基本概念和分类



1.1 简介


激光雷达（Lidar，Laser Detecting and Ranging，激光探测和测距）是一种通过发射和接收激光束，来实现目标检测的感知元件。激光雷达一般通过测量发射和接收激光束的时间差（ToF，Time of Fly）或者频率差，来确定目标信息。激光雷达在短时间内可以获取大量的位置点信息（或者称为激光点云），1秒内可以生成的点的数量从几十万到数百万不等。由于激光频率高，波长短，所以激光雷达一般具备极高的角度分辨率和测距精度。

激光雷达点云
除了获得位置信息外，激光信号的反射率可以区分目标物质的不同材质。

激光雷达可以识别不同的材质（图片来源：禾赛）

1.2 分类和特点对比


激光雷达有很多种不同的分类方法：

如果按照测量方式，可以分为ToF雷达和FMCW雷达；如果按照波长，可以分为905nm、1550nm、940nm等；如果按照扫描方式：可以分为机械式、半固态和全固态；

本文依据扫描方式进行分类：

机械式激光雷达以一定的速度旋转，在水平方向采用机械结构进行 360°的旋转扫描，在垂直方向采用定向分布式扫描。机械式激光雷达的发射器、接收器都跟随扫描部件一同旋转。
半固态激光雷达的发射器和接收器固定不动，只通过少量运动部件实现激光束的扫描。半固态激光雷达由于既有固定部件又有运动部件，因此也被称为混合固态激光雷达。根据运动部件类型不同，半固态激光雷达又可以细分为转镜类半固态激光雷达、MEMS半固态激光雷达和棱镜类半固态激光雷达。全固态激光雷达内部完全没有运动部件，使用半导体技术实现光束的发射、扫描和接收。固态激光雷达又可分为Flash固态激光雷达和OPA固态激光雷达。

不同类型激光雷达的优劣势对比：



不同类型激光雷达的原理和对比
2. 原理介绍

2.1 机械式

世界第一款汽车用激光雷达是美国Velodyne公司生产的64线激光雷达，首次亮相于2005年无人驾驶挑战赛。


Velodyne激光雷达
主要原理如下：

机械式激光雷达
2.2 半固态

半固态雷达主要有转镜类、MEMS类和棱镜类三种形式。

转镜类

转镜类激光雷达主要依靠一个旋转的反射镜，实现激光的扫描，原理如下：


转镜类激光雷达原理
转镜类激光雷达中运动部件主要是电机，以及镀膜反射镜。其中，镀膜反射镜可以对特定波长的激光（905nm、940nm、1550nm等）实现高反射率，反射镜一般为3面或者4面。通常转镜只需保证匀速旋转即可，一般无需变速或其他特殊控制。


转镜
根据转镜使用的数量，还可以分为1维转镜和2维转镜：1维转镜：结构中只有1个转镜实现水平方向的扫描，垂直方向一般使用多个激光器，用于覆盖发射不同的目标高度。代表产品有禾赛AT128、华为D3等。例如，如下是禾赛AT128的光路结构：

禾赛AT128（图片来源：绿芯频道）

一般转镜的倾角是相同的，还有些产品使用倾角不同的转镜，可以减少激光器的使用。例如镭神智能的32线转镜雷达CH32，就是通过8个EEL激光器和一个四面倾角略有不同的转镜来实现的 32 线扫描。

镭神智能的32线转镜雷达CH32（图片来源：中信证券）
2维转镜：同时采用转镜+振镜，实现水平方向和垂直方向的扫描。代表产品有图达通的falcon，其扫描原理如下：

图达通专利《用于Lidar系统的二维操纵系统》

图达通falcon实际扫描结构：

图达通falcon实际扫描结构（图片来源：中信证券）

MEMS振镜类

MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统）振镜类激光雷达，主要是通过MEMS振镜，进行水平方向和垂直方向的振动，实现激光束的扫描。

MEMS振镜

由于MEMS振镜振动的角度范围比较有限，通常只有10余度，带动光线扫过的角度也只有20几度，所以需要多个激光器各自负责20多度的一个扇区，拼合起来实现较大的水平视场角。例如速腾M1是由5个激光器组成，扫描原理如下：


速腾M1激光雷达（图片来源：中信证券）

速腾M1扫描图样示意图：



速腾M1扫描图样示意图（图片来源：中信证券）

棱镜类

双楔形棱镜激光雷达由两块同轴放置的楔形棱镜组成，随着两个棱镜以不同速度旋转，将在前方扫出类似菊花的图样，双楔形棱镜扫描示意图：


双楔形棱镜扫描示意图（图片来源：电动邦）双楔形棱镜方案是大疆主要采用的扫描方案，大疆Livox Mid（上）、Livox HAP（下）扫描图样：

大疆Livox Mid（上）、Livox HAP（下）扫描图样（图片来源：大疆）


2.3 全固态



全固态雷达主要有Flash类和OPA类。

Flash类

Flash激光雷达从原理上类似于摄像头，不同点在于Flash激光雷达接收其发射的主动光，而摄像头是接收环境反射的被动光，所以Flash激光雷达多了一个发射模块。Flash 激光雷达每个像素点可以记录光子飞行时间信息。发射的面阵激光照射到目标上，由于物体具有三维空间属性，从而不同部位的光所反射的光具有不同的飞行时间，被焦平面探测器阵列探测，根据飞行时间不同绘制图像。

Flash雷达原理

Flash激光雷达和半固态激光雷达的主要区别是，Flash激光雷达在短时间内发射出一大片覆盖探测区域的激光，再以高度灵敏的接收器，来完成对环境周围图像的绘制。而半固态激光雷达发射模块发射出来的激光是线状的，通过扫描部件往复运动，把线变成面打在需要探测的物体表面，完成目标探测。

扫描式雷达 vs Flash雷达

Flash方案激光雷达属于泛光成像，其发射的光线会散布在整个视场内。因此，其探测的FoV角度越大，便意味着等量的功率所需覆盖的面积越大，则激光功率密度越低，探测距离越短，探测精度越低。为了提升激光雷达性能，出现了一种可寻址扫描Flash激光雷达，这种Flash雷达的发光面不是同时点亮，而是根据特定的顺序，依次点亮发射器，实现空间区域的扫描。

可寻址扫描Flash激光雷达

可寻址扫描Flash激光雷达可以一定程度上提升Lidar性能，但是仍然无法兼顾远距离检测和大角度覆盖。

OPA类

OPA（Optical Phased Array，光学相控阵）雷达由元件阵列组成，通过控制每个元件发射光的相位和振幅来控制光束。

OPA雷达工作原理示意图OPA雷达采用了高度集成化的光学相控技术，将激光器的功率分配到不同的相位调制器，通过光学天线发射，在空间远场形成较强的能量光束。通过控制不同的相位，实现不同角度的光束对物体进行扫描。


相控阵技术
Quarnergy是最早提出OPA方案的公司，Quarnergy的S系列是业内首款OPA架构的激光雷达：

Quarnergy的S系列雷达


3. 发展趋势

Lidar正在经历“机械式 → 半固态 → 全固态”的发展过程；机械式Lidar在无人车、干线物流、矿山等领域得到了大规模使用，但因其成本、可靠性等局限，正逐步被半固态和全固态Lidar取代；当前乘用车所采用的的主要是半固态Lidar，主要是以转镜类和MEMS类为主；全固态Lidar主要以Flash技术为主，在补盲领域逐渐进入量产阶段。对于OPA方案，目前技术成熟度较低，还处在预研阶段。

激光雷达Roadmap

根据YOLO的报告《Automotive LIDAR Market: Competitive Dynamics, Technology Evolution, and Revenue Trends》（Automotive LiDAR conference 2023, October 3-5 ）描述：

905nm技术占据89%的市场份额。在过去，市场普遍认为1550纳米雷达性能比905纳米雷达更好，但实际上，905纳米技术这两年取得了长足进步，并且成本更低，因此大多数制造商越来越多的使用905纳米技术，图达通也计划推出905纳米的方案。

半固态技术雷达占据了95%的市场份额。半固态技术雷达是目前激光雷达市场的主流。

不同技术路线的占比（图片来源：YOLO）

半固态激光雷达指标成熟，目前各家产品主要在做降本。

半固态激光雷达的降本（图片来源：YOLO）

市场一度普遍认为MEMS会成为主流，因为它是半导体工艺制造的微振镜，看似成本更低。然而，实际情况是转镜方案越来越多的被大家重视。主要原因在于，激光雷达使用的MEMS微振镜口径需求较大，但在极端振动条件下使用时，良率较低。对于性能要求比较高的场景，转镜方案是更优的选择。

不同技术路线的占比（图片来源：YOLO）

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作者：雪岭飞花
一位在汽车行业摸爬滚打24年的老兵，专注人工智能技术在汽车自动驾驶系统中应用。