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　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　世界第一款汽车用激光雷达是美国Velodyne公司生产的64线年无人驾驶挑战赛。

　　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。

　　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：

　　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。

　　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：

　　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。

　　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。

　　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）

　　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。

　　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（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。

　　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：

　　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。

　　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。