激光雷達(dá)是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，又稱LiDAR（Light Detection And Ranging），它通過(guò)向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)（激光束），將從探測(cè)目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較和處理，從而獲得目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，主要由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理等部分組成。

一、按測(cè)距原理分類

按測(cè)距原理大體可分類為三種：ToF、FMCW和三角測(cè)距。

（一）ToF

TOF是目前最為成熟和廣泛應(yīng)用的測(cè)距方式，它的原理是根據(jù)光反射回的時(shí)間來(lái)測(cè)距。具體來(lái)說(shuō)是通過(guò)用脈沖激光照亮目標(biāo)并測(cè)量反射返回信號(hào)的特性來(lái)工作。脈沖光的寬度范圍可以從幾納秒到幾微秒。TOF激光雷達(dá)主要部件有激光器、放大器、光電轉(zhuǎn)換器等?，F(xiàn)階段的TOF激光源主要有905nm和1550nm兩種，一般來(lái)說(shuō)905nm探測(cè)距離大約為100-200m，由于靠近可見(jiàn)光對(duì)人眼有影響，因此難以通過(guò)加大功率增加探測(cè)距離，導(dǎo)致探測(cè)距離有限。1550nm探測(cè)距離能達(dá)到250m，且有更好的安全性，但由于1550nm接收器需要采用銦鎵砷光電探測(cè)器芯片，導(dǎo)致當(dāng)前成本較高。但綜合來(lái)看，ToF仍然是當(dāng)前市場(chǎng)中最為成熟的激光雷達(dá)測(cè)距方式，是激光雷達(dá)商業(yè)化的首選方式。相比其他方式，ToF的最大優(yōu)勢(shì)在于探測(cè)精確、性價(jià)比高、技術(shù)成熟、響應(yīng)速度快。

ToF主要分為直接飛行時(shí)間測(cè)距（direct Time of Flight，dToF）和間接飛行時(shí)間測(cè)距（indirect Time of Flight，iToF）。

dToF直接的飛行時(shí)間測(cè)距就是通過(guò)激光從發(fā)射到返回的時(shí)間t來(lái)測(cè)量距離，即D = c * t / 2。由于是利用光速測(cè)距，因此在現(xiàn)階段的應(yīng)用場(chǎng)景中，理論上不會(huì)出現(xiàn)因距離增加導(dǎo)致精度下降的情況，因此dToF的有效探測(cè)距離很遠(yuǎn)。但是dToF測(cè)距也有其缺陷，那就是關(guān)于往返飛行時(shí)間t的測(cè)量：假如物體A與物體B距離相差1.5m，則二者的往返時(shí)間t1與t2的差值約為0.00000001s，這給予計(jì)時(shí)器的測(cè)量精度極大的壓力，因此通常dToF的圖像分辨率不會(huì)很高。

（圖片來(lái)源于CSDN）

iToF即采用間接的方法測(cè)量飛行時(shí)間，具體地說(shuō)是測(cè)量接收波與發(fā)射波的相位差，轉(zhuǎn)換成具體的飛行時(shí)間，再計(jì)算飛行距離。由于iToF并不直接測(cè)量飛行時(shí)間，因此不需要高精度的時(shí)間測(cè)量，所以相比于dToF，iToF的圖像分辨率較高。但是如果距離過(guò)遠(yuǎn)的話，接收波的波形會(huì)出現(xiàn)信噪比減小、相位模糊等問(wèn)題，因此iToF的有效探測(cè)距離不如dToF。

（二）FMCW

FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave）是一種對(duì)光進(jìn)行調(diào)頻，根據(jù)頻率差得到物體距離的測(cè)距方式。接收器采用相干檢測(cè)，可以獲得更高的探測(cè)距離，抗干擾能力更強(qiáng)，并且能夠直接檢測(cè)物體的速度，并立即區(qū)分靜止物體、相向和同向行駛。FMCW激光雷達(dá)主要有激光器、探測(cè)器、相干光路和掃描部件（通常為OPA）構(gòu)成。FMCW光源一般采用1550nm窄線寬激光器。可以通過(guò)反射信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的頻率是否相同判斷物體是否處于靜止?fàn)顟B(tài)。對(duì)于逐漸靠近的物體，返回信號(hào)會(huì)產(chǎn)生正向多普勒頻移，對(duì)于逐漸遠(yuǎn)離的物體，返回信號(hào)會(huì)產(chǎn)生反向多普勒頻移，導(dǎo)致頻率發(fā)生上移或下移并由此區(qū)分物體移動(dòng)方向。

（三）三角測(cè)距

三角測(cè)距方式通過(guò)激光雷達(dá)發(fā)射激光，反射光通過(guò)接收透鏡打再線陣CCD/CMOS上，根據(jù)打在CCD/CMOS上的光點(diǎn)與主光軸的距離d，利用相似三角形原理計(jì)算出物體與激光雷達(dá)的距離D。所以，當(dāng)距離很遠(yuǎn)時(shí)（即D很大，d很小時(shí)），此時(shí)d的變化就對(duì)D的變化不再敏感，激光雷達(dá)的精度大打折扣。因此三角測(cè)距原理的激光雷達(dá)一般只適用于家用掃地機(jī)器人等小場(chǎng)景。

缺陷是需要算法抗干擾，并根據(jù)反射率判斷是否為偽目標(biāo)，所以對(duì)算法有較高的要求。FMCW可以根據(jù)多普勒效應(yīng)判斷目標(biāo)移動(dòng)方向，信息更豐富且對(duì)環(huán)境強(qiáng)光和其他激光具有很好的抗干擾性能。總體來(lái)看測(cè)距方式未來(lái)將從TOF逐漸向FMCW切換，且兩種測(cè)距方式將會(huì)在不同場(chǎng)景中共存。

二、按掃描方式分類

現(xiàn)階段激光雷達(dá)按照掃描方式可以分為機(jī)械式、半固態(tài)和純固態(tài)三種。

1、機(jī)械式

最初的機(jī)械式激光雷達(dá)基本都是掃描方式，但由于存在零件多、壽命短、價(jià)格貴、體積大等缺點(diǎn)，無(wú)法廣泛應(yīng)用于車載場(chǎng)景。機(jī)械式激光雷達(dá)收發(fā)光源、接收器以及掃描系統(tǒng)排列在底座上。隨著外部電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，收發(fā)架構(gòu)會(huì)沿著這個(gè)圓盤(pán)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水平空間的360度掃描。優(yōu)點(diǎn)是外部電機(jī)控制技術(shù)比較成熟且能夠長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；缺點(diǎn)一方面是體積大難以集成到車頂，且激光雷達(dá)價(jià)格仍然過(guò)高而不符合大規(guī)模自動(dòng)駕駛場(chǎng)景的需求，另一方面是高頻的轉(zhuǎn)動(dòng)和復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其壽命平均為1000-3000小時(shí)，難以達(dá)到車規(guī)級(jí)設(shè)備最低13000小時(shí)的要求。

2、半固態(tài)

半固態(tài)激光雷達(dá)也稱混合固態(tài)激光雷達(dá)，是當(dāng)前激光雷達(dá)最主流的結(jié)構(gòu)，也是現(xiàn)階段市場(chǎng)公認(rèn)的未來(lái)十年車規(guī)量產(chǎn)的最佳路線。相比機(jī)械式激光雷達(dá)，半固態(tài)激光雷達(dá)雖然視場(chǎng)相對(duì)較窄，但結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、成本更低的，適合作為前置主激光雷達(dá)量產(chǎn)上車。半固態(tài)激光雷達(dá)的掃描方式可細(xì)分為轉(zhuǎn)鏡掃描、雙軸鏡掃描、MEMS以及棱鏡掃描。目前從下游車載應(yīng)用來(lái)看1550nm和雙軸鏡掃描方案在探測(cè)距離、精度和上車穩(wěn)定性方面暫時(shí)領(lǐng)先；905nm的半固態(tài)方案在量產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度和成本上暫時(shí)領(lǐng)先。

轉(zhuǎn)鏡掃描結(jié)構(gòu)有單軸鏡和雙軸鏡，這種掃描架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是收發(fā)系統(tǒng)固定在整個(gè)雷達(dá)模塊里，旋轉(zhuǎn)模塊比較小，能夠極大的減少體積，壓縮成本。同時(shí)由于重量較輕，電機(jī)軸承負(fù)荷小，使得運(yùn)行更加穩(wěn)定，壽命更長(zhǎng)，更容易滿足車規(guī)需求。波長(zhǎng)方面同時(shí)存在905nm和1550nm技術(shù)路徑。

MEMS方案是用芯片級(jí)別的小鏡子取代機(jī)械轉(zhuǎn)軸。MEMS是芯片化的組件，擺脫了電機(jī)、鏡面等機(jī)械組件，實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)的激光雷達(dá)尺寸，從而可以獲得更低的成本和更高的集成度。但由于尺寸原因?qū)е聰[動(dòng)角度和通光口徑偏小，測(cè)距能力有限且需要更多激光器拼接多個(gè)點(diǎn)云，對(duì)算法和穩(wěn)定性均有較高要求。在車載方面，MEMS本身屬于微振動(dòng)敏感性器件，易受沖擊、振動(dòng)、溫漂的影響，在長(zhǎng)時(shí)間車載使用的過(guò)程種中會(huì)受到一定的挑戰(zhàn)。

棱鏡掃描適合低速高精場(chǎng)景。棱鏡掃描采用2-3塊棱鏡控制激光雷達(dá)掃描非重復(fù)性的方向，典型特征是輸出的圖像中間會(huì)比周邊的掃描密度大一些。在時(shí)間充裕下可掃描整個(gè)視場(chǎng)。棱鏡主要優(yōu)點(diǎn)是透光性較好，不需要太多激光器、收發(fā)器，能夠降低成本。同時(shí)組件可以固定，可靠性更高。棱鏡方案劣勢(shì)在于中心和四周的掃描區(qū)域均勻性存在差異，且成像范圍不一致會(huì)導(dǎo)致激光雷達(dá)在高速移動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)成像不連續(xù)的情況，需要后期算法補(bǔ)償?；谝陨咸卣?，棱鏡方案更適合掃描精度要求高、時(shí)效要求低的應(yīng)用場(chǎng)景。

3、純固態(tài)

固態(tài)激光雷達(dá)是激光雷達(dá)的發(fā)展方向，主要包括Flash激光雷達(dá)和OPA激光雷達(dá)。純固態(tài)激光雷達(dá)在混合固態(tài)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用固定光源和固定探測(cè)模式，不需要掃描器件可以實(shí)現(xiàn)更低成本并且無(wú)需擔(dān)憂電機(jī)穩(wěn)定性。根據(jù)調(diào)研結(jié)果來(lái)看，目前純固態(tài)激光雷達(dá)缺陷尚未完全解決，其中Flash激光雷達(dá)的缺點(diǎn)在于探測(cè)距離近；OPA激光雷達(dá)對(duì)材料要求比較苛刻，目前做出的產(chǎn)品也只能探測(cè)20-30m距離。Flash方案和照相機(jī)成像的原理非常類似。Flash方案的光路和架構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，收發(fā)對(duì)稱，沒(méi)有任何的掃描組件，成本更低、可靠性更高。缺點(diǎn)在于不管是采用VCSEL還是EEL光源，發(fā)射后能量發(fā)散會(huì)導(dǎo)致測(cè)距能力下降。

OPA激光雷達(dá)通常搭配FMCW測(cè)距方式，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性、任意方向控制、低成本、平均功率幾百毫瓦的超低功耗以及超過(guò)500m探測(cè)距離。OPA采用相干原理，在兩個(gè)水波紋疊加后，如果滿足半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，會(huì)形成相干相加或者相交的特性，可以利用這種特性控制波數(shù)的時(shí)間差從而控制掃描方向。這種方案的主要優(yōu)點(diǎn)在于集中度很高，并且波長(zhǎng)和方向優(yōu)勢(shì)帶來(lái)更高信噪比，體積更小，更適合車規(guī)級(jí)需求。OPA方案的難點(diǎn)是插入損耗和旁瓣問(wèn)題。具體來(lái)看是因?yàn)橥皇猱a(chǎn)生干涉，在相鄰的幾束光滿足條件后很容易形成旁瓣，會(huì)有多余的能量分掉探測(cè)主能量，影響測(cè)距能力。純固態(tài)激光雷達(dá)部分技術(shù)和光通訊類似，目前在通訊行業(yè)中III-V族半導(dǎo)體技術(shù)占主流，硅光芯片仍處于上升階段，硅光技術(shù)有待突破。

Flash閃光激光雷達(dá)原理完全不同，他不是通過(guò)掃描的方式，而是在短時(shí)間內(nèi)直接向前方發(fā)射出一大片覆蓋探測(cè)區(qū)域的激光，通過(guò)高度靈敏的接收器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境周圍圖像的繪制。Flash激光雷達(dá)的原理類似于拍照，但最終生成的數(shù)據(jù)包含了深度等3D數(shù)據(jù)。

由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，F(xiàn)lash閃光激光雷達(dá)是目前純固態(tài)激光雷達(dá)最主流的技術(shù)方案。但是由于短時(shí)間內(nèi)發(fā)射大面積的激光，因此在探測(cè)精度和探測(cè)距離上會(huì)受到較大的影響，主要用于較低速的無(wú)人駕駛車輛，例如無(wú)人外賣車、無(wú)人物流車等，對(duì)探測(cè)距離要求較低的自動(dòng)駕駛解決方案中。

從掃描方式來(lái)看激光雷達(dá)從機(jī)械式逐漸向純固態(tài)演進(jìn)。通過(guò)零件更少的架構(gòu)和更先進(jìn)的測(cè)距方式獲得更強(qiáng)的穩(wěn)定性、更長(zhǎng)的壽命、更遠(yuǎn)的探測(cè)距離、更高的探測(cè)精度以及更低的成本。目前已有量產(chǎn)車型的激光雷達(dá)多采用混合固態(tài)結(jié)構(gòu)，短期來(lái)看未來(lái)5-8年混合固態(tài)激光雷達(dá)將成為主流解決方案，單個(gè)混合固態(tài)激光雷達(dá)量產(chǎn)后價(jià)格有望降至500美元以內(nèi)；長(zhǎng)期來(lái)看固態(tài)激光雷達(dá)在獲得硅光技術(shù)突破后值得期待。