一文看懂激光雷达

　　与雷达工作原理类似，激光雷达通过测量激光信号的时间差和相位差来确定距离，但其最大优势在于能够利用多谱勒成像技术，创建出目标清晰的 3D 图像。激光雷达通过发射和接收激光束，分析激光遇到目标对象后的折返时间，计算出到目标对象的相对距离（下图），并利用此过程中收集到的目标对象表面大量密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，快速得到出被测目标的三维模型以及线、面、体等各种相关数据，建立三维点云图，绘制出环境地图，以达到环境感知的目的。由于光速非常快，飞行时间可能非常短，因此要求测量设备具备非常高的精度。从效果上来讲，激光雷达维度（线束）越多，测量精度越高，安全性就越高。

　　相比于可见光、红外线等传统被动成像技术，激光雷达技术具有如下显著特点：一方面，它颠覆传统的二维投影成像模式，可采集目标表面深度信息，得到目标相对完整的空间信息，经数据处理重构目标三维表面，获得更能反映目标几何外形的三维图形，同时还能获取目标表面反射特性、运动速度等丰富的特征信息，为目标探测、识别、跟踪等数据处理提供充分的信息支持、降低算法难度；另一方面，主动激光技术的应用，使得其具有测量分辨率高，抗干扰能力强、抗隐身能力强、穿透能力强和全天候工作的特点。

　　激光雷达主要包括激光发射、扫描系统、激光接收和信息处理四大系统，这四个系统相辅相成，形成传感闭环。首先激光发射系统中激励源周期性地驱动激光器，发射激光脉冲，激光调制器通过光束控制发射激光的方向和线数，最后通过发射光学系统，将激光发射至目标物体；扫描系统负责以稳定的转速旋转起来，实现对所在平面的扫描，并产生实时的平面图信息；激光接收系统中光电探测器接受目标物体反射回来的激光，产生接收信号；信息处理系统中接收信号经过放大处理和数模转换，经由信息处理模块计算，获取目标表面形态、物理属性等特性，最终建立物体模型。

　　激光雷达的各个环节几乎都有不同的执行方式（如图 9），单从测距这一个环节来看，就存在基于时间的飞行时间法和不基于时间的相位式等方法，不同环节的组合构成了激光雷达的近二十种分类方法。

　　在评价激光雷达的性能时，可以用到多个技术指标。线束、方位角、扫描帧频、角分辨率、测量精度、探测距离、数据率是七个常用的激光雷达性能评价指标。下面以禾赛Pandar128 为例进行解析。

　　根据结构，激光雷达分为机械式激光雷达、混合固态激光雷达和固态激光雷达。机械式激光雷达以一定的速度旋转，在水平方向采用机械 360°旋转扫描，在垂直方向采用定向分布式扫描以搜集动态信息；混合固态激光雷达 MEMS（微机电系统）微镜把所有的机械部件集成到单个芯片上，利用半导体工艺生产，不需要机械式旋转电机，而是以电的方式来控制光束；固态激光雷达分为 OPA 固态激光雷达和 Flash 固态激光雷达，其中 OPA技术原理与相控阵雷达类似，它由元件阵列组成，通过控制每个元件发射光的相位和振幅来控制光束，无需任何机械部件；Flash 面阵式激光雷达不同于以上三种逐点扫描的模式，它利用激光器同时照亮整个场景，对场景进行光覆盖，一次性实现全局成像。

　　目前以 Robotaxi 等高级自动驾驶玩家为主的主流选手更倾向于选择传统的机械式产品。在自动驾驶“跨越式”的演变历程中，机械式雷达率先发展起来，经过不断迭代，目前机械式激光雷达的技术已经趋于成熟，同时高线束的机械式激光雷达能够获得更高的分辨率与测距距离，所以其目前会获得高级自动驾驶商的青睐。

　　但使用传统的机械式激光雷达，也要面临高昂的装车成本问题，和产品低稳定性带来的安全风险和维护成本。目前仅有法雷奥的一款 4 线机械式激光雷达实现了车规级的量产搭载。对于 RoboTaxi 车队来说，高昂的雷达成本在一定程度上阻碍了车队的规模扩张；而对于 L3 乘用车来说，过高的激光雷达成本和潜在风险也不在主机厂可接受范围之内。

　　未来固态激光雷达会代替现有的机械式激光雷达，因为固态激光雷达可以很好的解决机械式激光雷达面临的物料成本高+量产成本高的问题。固态激光雷达的优势在于，能够最大程度地减少了例如电机、轴承等可动机械结构带来磨损，同时也消除了光电器件因为机械旋转可能造成故障，其与生俱来的特性使得雷达内部的结构布局更加合理，使整体散热及稳定性相比于机械式激光雷达有质的飞跃。

　　在固态激光雷达技术演技路线层面，基于 MEMS 方式的固态激光雷达是最有希望快速落地的成熟方案，OPA 与 Flash 则是明日之星。基于 OPA 的固态激光雷达尽管有着扫描速度快、精度高、可控性好的优点，但其生产难度较高；而 Flash 雷达虽然稳定性和成本不错，但其探测距离较近；相比之下，通过微振镜的方式改变单个发射器的发射角度进行扫描，由此形成面阵扫描视野的 MEMS 激光雷达，不仅技术上更容易实现，价格也更加可控，因此被主机厂一致看好。

　　从产业链的角度来看，激光雷达所处环节积聚了大量价值，具有很强的产业附加值。激光雷达是下游导航、绘测等应用的核心部件，目前产能稀缺导致供不应求，呈现卖方市场，对下游有很强的定价权，因此该产业链主要附加值在于激光雷达部分，行业整体盈利空间较大。

　　激光雷达产业链中，海外厂商在上游和中游都存在着领跑的优势，在技术和客户群等方面都领先于国内厂商，但国内厂商近年来奋起直追，取得了许多突破性的进展，中国势力正在逐步崛起。

　　近年来国家出台了一系列政策来推动自动驾驶的发展，这也进一步推动了我国激光雷达产业的发展。截至 2019 年底，全国共有 25 个城市出台自动驾驶测试政策；2020 年 2月，中国国家发展改革委牵头发布《智能汽车创新发展战略》，这是继《中国制造 2025》之后又一个重磅的战略发布；2020 年，国家发改委首次官方明确“新基建”七大板块，激光雷达作为终端传感器设备，在自动驾驶、车路协同等智能交通、智慧城市领域的作用不断凸显。中国政府对自动驾驶的支持，也将对全球激光雷达产业发展起到积极的推动作用。

　　上游主要包含激光发射、激光接收、扫描系统和信息处理四大部。