主流激光雷達(dá)的分類(lèi)及原理

激光雷達(dá)分類(lèi)多種多樣

比如按發(fā)射波形可分為脈沖型和連續(xù)型

按探測(cè)方式可分為直接探測(cè)和相干探測(cè)

按線(xiàn)束可分為單線(xiàn)和多線(xiàn)等

本文將按掃描方式將雷達(dá)進(jìn)行分類(lèi)介紹

機(jī)械式激光雷達(dá)

1.1 機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)

機(jī)械旋轉(zhuǎn)式Lidar的發(fā)射和接收模塊存在宏觀意義上的轉(zhuǎn)動(dòng)。在豎直方向上排布多組激光線(xiàn)束，發(fā)射模塊以一定頻率發(fā)射激光線(xiàn)，通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描。

機(jī)械旋轉(zhuǎn)Lidar分立的收發(fā)組件導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程要人工光路對(duì)準(zhǔn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，可量產(chǎn)性差。目前有的機(jī)械旋轉(zhuǎn)Lidar廠商在走芯片化的路線(xiàn)，將多線(xiàn)激光發(fā)射模組集成到一片芯片，提高生產(chǎn)效率和量產(chǎn)性，降低成本，減小旋轉(zhuǎn)部件的大小和體積，使其更易過(guò)車(chē)規(guī)。

機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)

（圖源: Velodyne官網(wǎng)）

優(yōu)點(diǎn)：

• 技術(shù)成熟

• 掃描速度快

• 360度掃描

缺點(diǎn)：

• 可量產(chǎn)性差：光路調(diào)試、裝配復(fù)雜，生產(chǎn)效率低

• 價(jià)格貴：靠增加收發(fā)模塊的數(shù)量實(shí)現(xiàn)高線(xiàn)束，元器件成本高，主機(jī)廠難以接受

• 難過(guò)車(chē)規(guī)：旋轉(zhuǎn)部件體積/重量龐大，難以滿(mǎn)足車(chē)規(guī)的嚴(yán)苛要求

• 造型不易于集成到車(chē)體

混合固態(tài)激光雷達(dá)

混合固態(tài)激光雷達(dá)用“微動(dòng)”器件來(lái)代替宏觀機(jī)械式掃描器，在微觀尺度上實(shí)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射端的激光掃描。旋轉(zhuǎn)幅度和體積的減小，可有效提高系統(tǒng)可靠性，降低成本。

2.1 MEMS陣鏡激光雷達(dá)

MEMS振鏡是一種硅基半導(dǎo)體元器件，屬于固態(tài)電子元件；它是在硅基芯片上集成了體積十分精巧的微振鏡，其核心結(jié)構(gòu)是尺寸很小的懸臂梁——反射鏡懸浮在前后左右各一對(duì)扭桿之間以一定諧波頻率振蕩，由旋轉(zhuǎn)的微振鏡來(lái)反射激光器的光線(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)掃描。硅基MEMS微振鏡可控性好，可實(shí)現(xiàn)快速掃描，其等效線(xiàn)束能高達(dá)一至兩百線(xiàn)，因此，要同樣的點(diǎn)云密度時(shí)，硅基MEMS Lidar的激光發(fā)射器數(shù)量比機(jī)械式旋轉(zhuǎn)Lidar少很多，體積小很多，系統(tǒng)可靠性高很多。

優(yōu)點(diǎn)：

• MEMS微振鏡擺脫了笨重的馬達(dá)、多發(fā)射/接收模組等機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置，毫米級(jí)尺寸的微振鏡大大減少了激光雷達(dá)的尺寸，提高了穩(wěn)定性

• MEMS微振鏡可減少激光發(fā)射器和探測(cè)器數(shù)量，極大地降低成本

缺點(diǎn)：

• 有限的光學(xué)口徑和掃描角度限制了Lidar的測(cè)距能力和FOV，大視場(chǎng)角需要多子視場(chǎng)拼接，這對(duì)點(diǎn)云拼接算法和點(diǎn)云穩(wěn)定度要求都較高

• 抗沖擊可靠性存疑

主要存在的問(wèn)題：

（1）振鏡尺寸問(wèn)題：

遠(yuǎn)距離探測(cè)需要較大的振鏡，不但價(jià)格貴，對(duì)快軸/慢軸負(fù)擔(dān)大，材質(zhì)的耐久疲勞度存在風(fēng)險(xiǎn)，難以滿(mǎn)足車(chē)規(guī)的DV、PV的可靠性、穩(wěn)定性、沖擊、跌落測(cè)試要求。

（2）懸臂梁：

硅基MEMS的懸臂梁結(jié)構(gòu)實(shí)際非常脆弱，快慢軸同時(shí)對(duì)微振鏡進(jìn)行反向扭動(dòng)，外界的振動(dòng)或沖擊極易直接致其斷裂。

故障的懸臂梁

（圖源：無(wú)人駕駛網(wǎng)）

MEMS激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

（圖源：RoboSense）

2.2 旋轉(zhuǎn)掃描鏡激光雷達(dá)

作為首款量產(chǎn)的L3級(jí)別自動(dòng)駕駛的乘用車(chē)——奧迪A8上搭載的激光雷達(dá)就是旋轉(zhuǎn)掃描鏡激光雷達(dá)。與機(jī)械旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)不同的是，其激光發(fā)射模塊和接收模塊是不動(dòng)的，只有掃描鏡在做機(jī)械旋轉(zhuǎn)。激光單元發(fā)出激光至旋轉(zhuǎn)掃描鏡（Mirror），被偏轉(zhuǎn)向前發(fā)射（掃描角度145°），被物體反射的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)被左下方的探測(cè)器接收。

Scala內(nèi)部圖

（圖源：搜狐）

優(yōu)點(diǎn)：

• 可車(chē)規(guī)，壽命長(zhǎng)，可靠度高

缺點(diǎn)：

• 掃描線(xiàn)數(shù)少，掃描角度不能到360度

2.3 楔形棱鏡旋轉(zhuǎn)

收發(fā)模塊的PLD（Pulsed Laser Diode）發(fā)射出激光，通過(guò)反射鏡和凸透鏡變成平行光，掃描模塊的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的棱鏡改變光路，使激光從某個(gè)角度發(fā)射出去。激光打到物體上，反射后從原光路回來(lái)，被APD接收。

Livox Lidar的工作原理示意圖

（圖源：Livox官網(wǎng)）

與MEMS Lidar相比，它可以做到很大的通光孔徑，距離也會(huì)測(cè)得較遠(yuǎn)。與機(jī)械旋轉(zhuǎn)Lidar相比，它極大地減少了激光發(fā)射和接收的線(xiàn)數(shù)，降低了對(duì)焦與標(biāo)定的復(fù)雜度，大幅提升生產(chǎn)效率，降低成本。

優(yōu)點(diǎn)：

• 非重復(fù)掃描，解決了機(jī)械式激光雷達(dá)的線(xiàn)式掃描導(dǎo)致漏檢物體的問(wèn)題

• 可實(shí)現(xiàn)隨著掃描時(shí)間增加，達(dá)到近100％的視場(chǎng)覆蓋率

• 沒(méi)有電子元器件的旋轉(zhuǎn)磨損，可靠性更高，符合車(chē)規(guī)

缺點(diǎn)：

• 單個(gè)雷達(dá)的FOV較小，視場(chǎng)覆蓋率取決于積分時(shí)間

• 獨(dú)特的掃描方式使其點(diǎn)云的分布不同于傳統(tǒng)機(jī)械旋轉(zhuǎn)Lidar，需要算法適配

Livox的點(diǎn)云分布圖

（圖源：Livox官網(wǎng)）

2.4 二維掃描振鏡激光雷達(dá)

這類(lèi)激光雷達(dá)的核心元件是兩個(gè)掃描器——多邊形棱鏡和垂直掃描振鏡，分別負(fù)責(zé)水平和垂直方向上的掃描。特點(diǎn)是掃描速度快，精度高。比如：一個(gè)四面多邊形，僅移動(dòng)八條激光器光束（相當(dāng)于傳統(tǒng)的8線(xiàn)激光雷達(dá)），以5000rpm速度掃描，垂直分辨率為2667條/秒，120度水平掃描，在10Hz非隔行掃描下，垂直分辨率達(dá)267線(xiàn)。

Luminar激光雷達(dá)內(nèi)部解剖圖

（圖源：Luminar）

優(yōu)點(diǎn)：

• 轉(zhuǎn)速越高，掃描精度越高

• 可以控制掃描區(qū)域，提高關(guān)鍵區(qū)域的掃描密度

• 多邊形可提供超寬FOV，一般可做到水平120度。MEMS Lidar一般不超過(guò)80度

• 通光孔徑大，信噪比和有效距離要遠(yuǎn)高于MEMS Lidar

• 價(jià)格低廉，MEMS振鏡貴的要上千美元，多邊形激光掃描已經(jīng)非常成熟，價(jià)格只要幾十美元

• 激光雷達(dá)間抗干擾性強(qiáng)

缺點(diǎn)：

• 與MEMS技術(shù)比，其缺點(diǎn)是功耗高，有電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件

純固態(tài)激光雷達(dá)

3.1 Flash激光雷達(dá)

Flash激光雷達(dá)采用類(lèi)似Camera的工作模式，但感光元件與普通相機(jī)不同，每個(gè)像素點(diǎn)可記錄光子飛行時(shí)間。由于物體具有三維空間屬性，照射到物體不同部位的光具有不同的飛行時(shí)間，被焦平面探測(cè)器陣列探測(cè)，輸出為具有深度信息的“三維”圖像。根據(jù)激光光源的不同，F(xiàn)lash 激光雷達(dá)可以分為脈沖式和連續(xù)式，脈沖式可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)（100米以上），連續(xù)式主要用于近距離探測(cè)（數(shù)十米）。

Flash激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)在于能夠快速記錄整個(gè)場(chǎng)景，避免了掃描過(guò)程中目標(biāo)或Lidar自身運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的誤差。其缺點(diǎn)是探測(cè)距離近。

Flash Lidar的工作示意圖

（圖源：LeddarTech官網(wǎng)）

發(fā)射模組：Flash激光雷達(dá)采用的是垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser， VCSEL），比其他激光器更小、更輕、更耐用、更快、更易于制造，并且功率效率更高。

接收模組：Flash激光雷達(dá)的性能主要取決于焦平面探測(cè)器陣列的靈敏度。焦平面探測(cè)器陣列可使用PIN型光電探測(cè)器，在探測(cè)器前端加上透鏡單元并采用高性能讀出電路，可實(shí)現(xiàn)短距離探測(cè)。對(duì)于遠(yuǎn)距離探測(cè)需求，需要使用到雪崩型光電探測(cè)器，其探測(cè)的靈敏度高，可實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)，基于APD的面陣探測(cè)器具有遠(yuǎn)距離單幅成像、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：

• 一次性實(shí)現(xiàn)全局成像來(lái)完成探測(cè)，無(wú)需考慮運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

• 無(wú)掃描器件，成像速度快

• 集成度高，體積小

• 芯片級(jí)工藝，適合量產(chǎn)

• 全固態(tài)優(yōu)勢(shì)，易過(guò)車(chē)規(guī)

缺點(diǎn)：

• 激光功率受限，探測(cè)距離近

• 抗干擾能力差

• 角分辨率低

3.2 光學(xué)相控陣激光雷達(dá)（OPA）

很多軍用Lidar使用OPA（Optical Phased Array）光學(xué)相控陣技術(shù)。OPA運(yùn)用相干原理，采用多個(gè)光源組成陣列，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射陣列中每個(gè)發(fā)射單元的相位差，來(lái)控制輸出的激光束的方向。OPA激光雷達(dá)完全是由電信號(hào)控制掃描方向，能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)掃描角度范圍，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行全局掃描或者某一區(qū)域的局部精細(xì)化掃描，一個(gè)激光雷達(dá)就可能覆蓋近/中/遠(yuǎn)距離的目標(biāo)探測(cè)。

Quanergy固態(tài)激光雷達(dá)

（圖源：Quanergy官方視頻截圖）

優(yōu)點(diǎn)：

• 純固態(tài)Lidar，體積小，易于車(chē)規(guī)

• 掃描速度快（一般可達(dá)到MHz量級(jí)以上）

• 精度高（可以做到μrad量級(jí)以上）

• 可控性好（可以在感興趣的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行高密度掃描）

缺點(diǎn)：

• 易形成旁瓣，影響光束作用距離和角分辨率，使激光能量被分散

• 加工難度高：光學(xué)相控陣要求陣列單元尺寸必須不大于半個(gè)波長(zhǎng)

• 探測(cè)距離很難做到很遠(yuǎn)

3.3 調(diào)頻連續(xù)波FMCW激光雷達(dá)

以三角波調(diào)頻連續(xù)波為例來(lái)介紹其測(cè)距/測(cè)速原理。藍(lán)色為發(fā)射信號(hào)頻率，紅色為接收信號(hào)頻率，發(fā)射的激光束被反復(fù)調(diào)制，信號(hào)頻率不斷變化。激光束擊中障礙物被反射，反射會(huì)影響光的頻率，當(dāng)反射光返回到檢測(cè)器，與發(fā)射時(shí)的頻率相比，就能測(cè)量?jī)煞N頻率之間的差值，與距離成比例，從而計(jì)算出物體的位置信息。FMCW的反射光頻率會(huì)根據(jù)前方移動(dòng)物體的速度而改變，結(jié)合多普勒效應(yīng)，即可計(jì)算出目標(biāo)的速度。

FMCW原理2

優(yōu)點(diǎn)：

• 每個(gè)像素都有多普勒信息，含速度信息

• 解決Lidar間串?dāng)_問(wèn)題

• 不受環(huán)境光影響，探測(cè)靈敏度高

缺點(diǎn)：

• 不能探測(cè)切向運(yùn)動(dòng)目標(biāo)

FMCW與常見(jiàn)的TOF測(cè)距原理的對(duì)比：

TOF

優(yōu)點(diǎn)

系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低

平均功率低

測(cè)距精度高

能探測(cè)出切向運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)

缺點(diǎn)

環(huán)境光的抗干擾性比FMCW稍差

波段接近人眼可響應(yīng)的范圍

FMCW

優(yōu)點(diǎn)

環(huán)境光抗干擾能力強(qiáng)

1550nm波長(zhǎng)對(duì)人眼安全更有利

除距離和intensity信息外還能得到速度信息

缺點(diǎn)

系統(tǒng)復(fù)雜度高，成本高

平均能耗高

不能探測(cè)出切向運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)（比如橫穿馬路的人/車(chē)）

發(fā)展趨勢(shì)

激光雷達(dá)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的重要傳感器部件之一。評(píng)價(jià)一款激光雷達(dá)產(chǎn)品，要從性能、技術(shù)成熟度、成本、“車(chē)規(guī)”化等多個(gè)維度去衡量。機(jī)械式激光雷達(dá)：目前是自動(dòng)駕駛公司的主流方案，技術(shù)成熟可靠，具備360度視場(chǎng)角，高分辨率等性能優(yōu)勢(shì)，但限于工藝等因素難以量產(chǎn)。部分機(jī)械雷達(dá)廠商正在通過(guò)芯片化的路線(xiàn)提高生產(chǎn)效率，降低成本，并使其符合車(chē)規(guī)?？紤]到固態(tài)雷達(dá)的迭代過(guò)程，短期內(nèi)機(jī)械式激光雷達(dá)仍將是自動(dòng)駕駛的主流選擇。MEMS等半固態(tài)激光雷達(dá)：目前技術(shù)相對(duì)成熟，能兼顧成本、性能、車(chē)規(guī)等要求，但抗沖擊可靠性存疑。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，僅屬于過(guò)渡產(chǎn)品。全固態(tài)激光雷達(dá)：長(zhǎng)遠(yuǎn)看，激光雷達(dá)的主流趨勢(shì)會(huì)轉(zhuǎn)向全固態(tài)。Flash技術(shù)領(lǐng)先，但受限于元器件性能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)；OPA具有一定的技術(shù)壁壘；FMCW具有探測(cè)距離遠(yuǎn)，靈敏度高，抗干擾能力高，成本低，功耗低等特點(diǎn)，但技術(shù)門(mén)檻高，對(duì)系統(tǒng)集成，信號(hào)處理要求很高，目前尚未量產(chǎn)。

總的看來(lái)，激光雷達(dá)固態(tài)化會(huì)持續(xù)推進(jìn)，技術(shù)仍然有很長(zhǎng)的探索期。

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