一、激光雷達LiDAR工作原理

激光雷達LiDAR的全稱為Light Detection and Ranging激光探測和測距，又稱光學雷達。

激光雷達的工作原理：對人畜無害的紅外光束Light Pluses發射、反射和接收來探測物體。能探測的對象：白天或黑夜下的特定物體與車之間的距離。甚至由于反射度的不同，車道線和路面也是可以區分開來的。哪些物體無法探測：光束無法探測到被遮擋的物體。

車用激光雷達工作原理就是蝙蝠測距用的回波時間（Time of Flight，縮寫為TOF）測量方法。分析目標物體表面的反射能量大小、反射波譜的幅度、頻率和相位等信息，輸出點云，從而呈現出目標物精確的三維結構信息。

激光雷達測距及點云

但要知道光速是每秒30萬公里。要區分目標厘米級別的精確距離，那對傳輸時間測量分辨率必須做到1納秒。要如此精確的測量時間，因此對應的測量系統的成本就很難降到很低，需要使用巧妙的方法降低測量難度。

首先，我們需要明確，激光雷達并不是獨立運作的，一般是由激光發射器、接收器和慣性定位導航三個主要模塊組成。當激光雷達工作的時候，會對外發射激光，在遇到物體后，激光折射回來被CMOS傳感器接收，從而測得本體到障礙物的距離。從原理來看，只要需要知道光速、和從發射到CMOS感知的時間就可以測出障礙物的距離，再結合實時GPS、慣性導航信息與計算激光雷達發射出去角度，系統就可以得到前方物體的坐標方位和距離信息。

緊接著，一個激光雷達如果能在同一個空間內，按照設定好的角度發射多條激光，就能得到多條基于障礙物的反射信號。再配合時間范圍、激光的掃描角度、GPS 位置和 INS 信息，經過數據處理后，這些信息配合x，y，z坐標，就會成為具有距離信息、空間位置信息等的三維立體信號，再基于軟件算法組合起來，系統就可以得到線、面、體等各種相關參數，以此建立三維點云圖，繪制出環境地圖，就能變成汽車的“眼睛”。

激光雷達是由激光發射單元和激光接收單元組成，發射單元的工作方式是向外發射激光束層，層數越多，精度也越高(如下圖所示)，不過這也意味著傳感器尺寸越大。發射單元將激光發射出去后，當激光遇到障礙物會反射，從而被接收器接收，接收器根據每束激光發射和返回的時間，創建一組點云，高質量的激光雷達，每秒最多可以發出200多束激光。

不同激光束形成的激光點云

對于激光的波長，目前主要使用使用波長為905nm和1550nm的激光發射器，波長為1550nm的光線不容易在人眼液體中傳輸。故1550nm可在保證安全的前提下大大提高發射功率。大功率能得到更遠的探測距離，長波長也能提高抗干擾能力。但是1550nm激光需使用InGaAs，目前量產困難。故當前更多使用Si材質量產905nm的LiDAR。通過限制功率和脈沖時間來保證安全性。

1.1 技術原理

激光雷達探測的具體技術可以分為TOF飛行時間法與相干探測方法。其中ToF方法可以進一步區分為iToF和dToF方法；

1.1.1飛行時間（ToF）探測方法

通過直接計算發射及接收電磁波的時間差測量被測目標的距離；

1.1.2 相干探測方法（如：FMCW）

通過測量發射電磁波與返回電磁波的頻率變化解調出被測目標的距離及速度；

FMCW雷達原理示意圖

1.2激光雷達的FOV

FOV指激光雷達能夠探測到的視場范圍，可以從垂直和水平兩個維度以角度來衡量范圍大小，下圖比較形象的展示了激光雷達FOV范圍，之所以要提到FOV是因為后面不同的技術路線基本都是為了能夠實現對FOV區域內探測。

垂直FOV：常見的車載激光雷達通常在25°，形狀呈扇形；

水平FOV：常見的機械式激光雷達可以達到360°范圍，通常布置于車頂；常見的車載半固態激光雷達通常可以達到120°范圍，形狀呈扇形，可布置于車身或車頂；

1.3 激光雷達在L2+的性能要求

對于激光雷達在L2+的性能要求如下：

a、測距距離有要求,高速場景下至少有150米以上的探測距離

b、具有120FOV寬視角,滿足十字路口等特殊場景的檢測;

c、測距的精準度,滿足≤3cm,角分辨率越小越好,水平和垂直≤0.3°

d、具備100線以上的掃描效果和百萬級別點頻,這樣遇到150米以外的物體也能反射回足夠多的激光點云用于識別

e、具有車規級標準的工作溫度,能夠規模化生產

f、體積一定要小,方便車企的造型設計

二、激光雷達結構

激光雷達的關鍵部件按照信號處理的信號鏈包括控制硬件DSP（數字信號處理器）、激光驅動、激光發射發光二極管、發射光學鏡頭、接收光學鏡頭、APD（雪崩光學二極管）、TIA（可變跨導放大器）和探測器，如下圖所示。其中除了發射和接收光學鏡頭外，都是電子部件。隨著半導體技術的快速演進，性能逐步提升的同時成本迅速降低。但是光學組件和旋轉機械則占具了激光雷達的大部分成本。

激光雷達的關鍵部件

三、激光雷達的種類

把激光雷達按照掃描方式來分類，目前有機械式激光雷達、半固態激光雷達和固態激光雷達三大類。其中機械式激光雷達最為常用，固態激光雷達為未來業界大力發展方向，半固態激光雷達是機械式和純固態式的折中方案，屬于目前階段量產裝車的主力軍。

3.1機械式激光雷達

3.1.1 工作原理

發射和接收模塊被電機電動進行360度旋轉。在豎直方向上排布多組激光線束，發射模塊以一定頻率發射激光線，通過不斷旋轉發射頭實現動態掃描。

3.1.2 優劣勢分析

優勢：機械式激光雷達作為最早裝車的產品，技術已經比較成熟，因為其是由電機控制旋轉，所以可以長時間內保持轉速穩定，每次掃描的速度都是線性的。并且由于『站得高』，機械式激光雷達可以對周圍環境進行精度夠高并且清晰穩定的360度環境重構。

劣勢：雖然技術成熟，但因為其內部的激光收發模組線束多，并且需要復雜的人工調教，制造周期長，所以成本并不低，并且可靠性差，導致可量產性不高。其次，機械式激光雷達體積過大，消費者接受度不高。最后，它的壽命大約在1000h~3000h，而汽車廠商的要求是至少13000h，這也決定了其很難走向C端市場。

3.2 半固態—MEMS式激光雷達

MEMS全稱Micro-Electro-Mechanical System（微機電系統），是將原本激光雷達的機械結構通過微電子技術集成到硅基芯片上。本質上而言MEMS激光雷達并沒有做到完全取消機械結構，所以它是一種半固態激光雷達。

3.2.1 工作原理

MEMS在硅基芯片上集成了體積十分精巧的微振鏡，其核心結構是尺寸很小的懸臂梁——通過控制微小的鏡面平動和扭轉往復運動，將激光管反射到不同的角度完成掃描，而激光發生器本身固定不動。

MEMS激光雷達微振鏡模塊

3.2.2 優劣勢分析

優勢：MEMS激光雷達因為擺脫了笨重的「旋轉電機」和「掃描鏡」等機械運動裝置，去除了金屬機械結構部件，同時配備的是毫米級的微振鏡，這大大減少了MEMS激光雷達的尺寸，與傳統的光學掃描鏡相比，在光學、機械性能和功耗方面表現更為突出。其次，得益于激光收發單元的數量的減少，同時MEMS振鏡整體結構所使用的硅基材料還有降價空間，因此MEMS激光雷達的整體成本有望進一步降低。

劣勢：MEMS激光雷達的「微振鏡」屬于振動敏感性器件，同時硅基MEMS的懸臂梁結構非常脆弱，外界的振動或沖擊極易直接致其斷裂，車載環境很容易對其使用壽命和工作穩定性產生影響。其次，MEMS的振動角度有限導致視場角比較小（小于120度），同時受限于MEMS微振鏡的鏡面尺寸，傳統MEMS技術的有效探測距離只有50米，FOV角度只能達到30度，多用于近距離補盲或者前向探測。

目前，由于MEMS上游供應鏈已經相對成熟，比如Luminar的MEMS半固態激光雷達已將制造成本降低到了500-1000美元，使規模量產成為了可能。國內方面，速騰聚創和廣汽埃安、威馬、極氪等11家車企建立了合作，同時其產品「RS-LiDAR-M1」已于2020年12月開始批量出貨，成為全球首款批量交付的車規級MEMS激光雷達。海外方面，Luminar在全球范圍內已擁有50多位行業合作伙伴，其中包括沃爾沃、上汽飛凡汽車、小馬智行等。

3.2.3 微震鏡不同驅動方式特點

3.3 半固態—轉鏡式激光雷達

轉鏡式激光雷達與MEMS激光雷達差異在于，前者的掃描鏡是圍繞著圓心旋轉，后者則是圍繞著某條直徑上下振動。相比之下，轉鏡式激光雷達的功耗更低，散熱難度更低，因而也更容易擁有比較高的可靠性。

3.3.1 工作原理

與MEMS微振鏡平動和扭轉的形式不同，轉鏡是反射鏡面圍繞圓心不斷旋轉，從而實現激光的掃描。在轉鏡方案中，也存在一面掃描鏡（一維轉鏡）和一縱一橫兩面掃描鏡（二維轉鏡）兩種技術路線。一維轉鏡線束與激光發生器數量一致，而二維轉鏡可以實現等效更多的線束，在集成難度和成本控制上存在優勢。

簡而言之，使用轉鏡折射光線實現激光在FOV區域內的覆蓋，通常與線光源配合使用，形成FOV面的覆蓋，也可以與振鏡組合使用，配合點光源形成FOV面的覆蓋；

3.3.2 優劣勢分析

優勢：轉鏡式激光雷達的激光發射和接收裝置是固定的，所以即使有「旋轉機構」，也可以把產品體積做小，進而降低成本。并且旋轉機構只有反射鏡，整體重量輕，電機軸承的負荷小，系統運行起來更穩定，壽命更長，是符合車規量產的優勢條件。

劣勢：因為有「旋轉機構」這樣的機械形式的存在，便不可避免地在長期運行之后，激光雷達的穩定性、準確度會受到影響。其次，一維式的掃描線數少，掃描角度不能到360度。

從應用看，具備車規級量產實力的Tier1供貨商有法雷奧（Scala）、鐳神智能（CH32），Innovusion（Falcon）。2017年，奧迪A8為全球首款量產的L3級別自動駕駛的乘用車，其搭載的激光雷達便是法雷奧和Ibeo聯合研發的4線旋轉掃描鏡激光雷達。2020年，鐳神智能自主研發的CH32面世，成為全球第二款獲得車規級認證的轉鏡式激光雷達，目前已經規模化交付東風悅享量產前裝車型生產。2022年，搭載Innovusion Falcon激光雷達的蔚來ET7上市，該款激光雷達為1550nm方案，等效300線數。從售價看，法雷奧Scala 2為900歐元（約6500元人民幣），已經下降至車企可接受的價格范圍。

3.4 半固態-棱鏡式激光雷達

無人機龍頭廠商大疆孵化覽沃科技（Livox）入局激光雷達，便是采用的棱鏡式掃描方案，大疆利用其在無人機領域積累的電機精準調控技術及自動化產線，有信心克服棱鏡軸承或襯套壽命的難題，也為其激光雷達技術構筑護城河。

3.4.1 工作原理

棱鏡式激光雷達也稱為雙楔形棱鏡式激光雷達，內部包括兩個楔形棱鏡，激光在通過第一個楔形棱鏡后發生一次偏轉，通過第二個楔形棱鏡后再一次發生偏轉。控制兩面棱鏡的相對轉速便可以控制激光束的掃描形態。與前面提到的掃描形式不同，棱鏡激光雷達累積的掃描圖案形狀狀若菊花，而并非一行一列的點云狀態。這樣的好處是只要相對速度控制得當，在同一位置長時間掃描幾乎可以覆蓋整個區域。

棱鏡式激光雷達工作示意圖

棱鏡及點云掃描示意圖

棱鏡式激光雷達工作圖

3.4.2 優劣勢分析

優勢：首先，該設計減少了激光發射和接收的線數以實現一幀之內更高的線數，也隨之降低了對焦與標定的復雜度，因此生產效率得以大幅提升，并且相比于傳統機械式激光雷達，棱鏡式的成本有了大幅的下降。其次，只要掃描時間夠久，就能得到精度極高的點云以及環境建模，分辨率幾乎沒有上限，且可達到近100％的視場覆蓋率。

劣勢：棱鏡式激光雷達FOV相對較小，且視場中心的掃描點非常密集，雷達的視場邊緣掃描點比較稀疏，在雷達啟動的短時間內會有分辨率過低的問題。對于高速移動的汽車來說，顯然不存在長時間掃描的情況，不過可以通過增加激光線束和功率實現更高的精度和更遠的探測距離，但機械結構也相對更加復雜，體積讓前兩者更難以控制，存在軸承或襯套的磨損等風險。

從車規級應用來看，小鵬P5配備2顆大疆Livox車規級棱鏡式激光雷達，另外大疆Livox也獲得了一汽解放量產項目的定點 。針對單顆棱鏡式中心區域點云密集。兩側點云相對稀疏的情況，小鵬P5選擇在車前部署了2顆激光雷達，前方提高至 180度的超寬點云視野，提高應對近處車輛加塞、十字路口拐彎等復雜路況的通行能力。

小鵬P5上搭載的大疆Livox 棱鏡式激光雷達

3.5 固態-OPA激光雷達

針對車規級設備需要在連續振動、高低溫、高濕高鹽等環境下連續工作的特點，固態激光雷達成為了較為可行的發展方向。

3.5.1 工作原理

利用光的相干性質，通過人為控制相位差實現不同方向的光發射效果；

我們知道光和電磁波一樣也表現出波的特性，因此同樣可以利用相位差控制干涉讓激光“轉向”特定的角度，往復控制實現掃描效果。

OPA光學相控工作原理示意圖

相干與掃描原理圖示意圖

3.5.2 優劣勢分析

優勢：OPA激光雷達發射機采用純固態器件，沒有任何需要活動的機械結構，因此在耐久度上表現更出眾；雖然省去機械掃描結構，但卻能做到類似機械式的全景掃描，同時在體積上可以做得更小，量產后的成本有望大大降低。

劣勢：OPA激光雷達對激光調試、信號處理的運算力要求很大，同時，它還要求陣列單元尺寸必須不大于半個波長，因此每個器件尺寸僅500nm左右，對材料和工藝的要求都極為苛刻，由于技術難度高，上游產業鏈不成熟，導致 OPA 方案短期內難以車規級量產，目前也很少有專注開發OPA激光雷達的Tier1供應商。

應用層面，目前暫無車規級量產案例，OPA方案的代表企業為Quanergy。2021年8月，Quanergy對其OPA固達態激光雷達S3系列完成駕駛實測演示。測試結果顯示，S3系列固態激光雷達可以提供超過10萬小時的平均無故障時間（MTBF），在全光照下實現100米的探測性能，大規模量產后的目標價格為500美元。

3.6 固態-FLASH激光雷達

由于結構簡單，Flash閃光激光雷達是目前純固態激光雷達最主流的技術方案。但是由于短時間內發射大面積的激光，因此在探測精度和探測距離上會受到較大的影響，主要用于較低速的無人駕駛車輛，例如無人外賣車、無人物流車等，對探測距離要求較低的自動駕駛解決方案中。

3.6.1 工作原理

Flash原本的意思為快閃。而Flash激光雷達的原理也是快閃，不像MEMS或OPA的方案會去進行掃描，而是短時間直接發射出一大片覆蓋探測區域的激光，再以高度靈敏的接收器，來完成對環境周圍圖像的繪制。因此，Flash固態激光雷達屬于非掃描式雷達，發射面陣光，是以2維或3維圖像為重點輸出內容的激光雷達。某種意義上，它有些類似于黑夜中的照相機，光源由自己主動發出。

Flash激光雷達的成像原理是發射大面積激光一次照亮整個場景，然后使用多個傳感器接收檢測和反射光。但最大的問題是，這種工作模式需要非常高的激光功率。在體積限制下，Flash激光雷達的功率密度不能很高。因此，Flash激光雷達目前的問題是，由于功率密度的限制，無法考慮三個參數：視場角、檢測距離和分辨率，即如果檢測距離較遠，則需要犧牲視場角或分辨率；如果需要高分辨率，則需要犧牲視場角或檢測距離。

Flash激光雷達采用面光源泛光成像，其發射的光線會散布在整個視場內，因此不需要折射就可以覆蓋FOV區域了，難點在于如何提升其功率密度從而提升探測精度和距離，目前通常使用VCSEL光源組成二維矩陣形成面光源；

亮道智能的Flash激光雷達

3.6.2 優劣勢分析

優點：FLASH激光雷達最大的優勢在于可以一次性實現全局成像來完成探測，且成像速度快。體積小，易安裝，易融入車的整體外觀設計。設計簡潔，元件極少，成本低。信號處理電路簡單，消耗運算資源少，整體成本低。刷新頻率可高達3MHz，是傳統攝像頭的10萬倍，實時性好，因此易過車規。

缺點：不過FLASH激光單點面積比掃描型激光單點大，因此其功率密度較低，進而影響到探測精度和探測距離（低于50米）。要改善其性能，需要使用功率更大的激光器，或更先進的激光發射陣列，讓發光單元按一定模式導通點亮，以取得掃描器的效果。

Ibeo FLASH激光雷達的接收模塊

為了克服探測距離的限制，FLASH激光雷達的代表廠商Ibeo、LedderTech開始在激光收發模塊進行創新。車規級激光雷達鼻祖Ibeo，則一步到位推出了單光子激光雷達，Ibeo稱其為Focal Plane Array焦平面，實際也可歸為FlASH激光雷達。2019年8月27日，長城汽車與德國激光雷達廠商Ibeo正式簽署了激光雷達技術戰略合作協議，三方合作的產品基礎就是ibeonEXT Generic 4D Solid State LiDAR。從長遠來看，FLASH激光雷達芯片化程度高，規模化量產后大概率能拉低成本，隨著技術的發展，FLASH激光雷達有望成為主流的技術方案。

對這幾款激光雷達優劣勢進行了匯總：

四、激光光源

由于激光器發射的光線需要投射至整個FOV平面區域內，除了面光源可以直接發射整面光線外，點光源則需要做二維掃描覆蓋整個FOV區域，線光源需要做一維掃描覆蓋整個FOV區域。

其中點光源根據光源發射的形式又可以分為EEL（Edge-Emitting Laser邊發射激光器）和VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser垂直腔面發射激光器）兩種，二者區別在于EEL激光平行于襯底表面發出（如圖1），VCSEL激光垂直于襯底表面發出（如圖2）。

其中VCSEL式易于進行芯片式陣列布置，通常使用此類光源進行陣列式布置形成線光源（一維陣列）或面光源（二維陣列），VCSEL光源剖面圖與二維陣列光源芯片示意圖如下

VCSEL剖面與二維陣列示意圖

五、其它常見術語釋義

測遠能力:一般指激光雷達對于10%低反射率目標物的最遠探測距離。

最近測量距離：激光雷達能夠輸出可靠探測數據的最近距離。

測距盲區：從激光雷達外罩到最近測量距離之間的范圍,這段距離內激光雷達無法獲取有效的測量信號,無法對目標物信息進行反饋。

角度盲區：激光雷達視場角范圍沒有覆蓋的區域,系統無法獲取這些區域內的目標物信息。

角度分辨率：激光雷達相鄰兩個探測點之間的角度間隔,分為水平角度分辨率與垂直角度分辨率。相鄰探測點之間角度間隔越小,對目標物的細節分辨能力越強。

測距精度：激光雷達對同一距離下的物體多次測試所得數據之間的一致程度,精度越高表示測量的隨機誤差越小。

測距準度：激光雷達探測得到距離數據與真值之間的差距,準度越高表示測量結果與真實數據符合程度越高。

點頻：激光雷達每秒完成探測并獲取的探測點的數目。

抗干擾：激光雷達對工作同一環境下、采用相同激光波段的其他激光雷達的干擾信號的抵抗能力,抗干擾能力越強說明在多臺激光雷達共同工作的條件下產生的噪點率越低

功耗：激光雷達系統工作狀態下所消耗的電功率。

激光雷達線數：一般指激光雷達垂直方向上的測量線的數量,對于一定的角度范圍,線數越多代表角度分辨率越高,對目標物的細節分辨能力越強。

多傳感器標定：將多傳感器得到的各自局部空間坐標下的測量數據轉換到一個統一的空間坐標系的過程。

可靠性：一般指產品可靠性,是組件、產品、系統在一定時間內、在一定條件下無故障地執行指定功能的能力或可能性。

安全性：產品在使用、儲運、銷售等過程中,保障人體健康和人身、財產安全免受傷害或損失的能力或可能性,包括功能安全、網絡安全、激光安全等。

大生命力的浪潮正推動著中國品牌向世界一流的材料方案服務商邁進。