主流激光雷達的分類及原理

激光雷達分類多種多樣

比如按發射波形可分為脈沖型和連續型

按探測方式可分為直接探測和相干探測

按線束可分為單線和多線等

本文將按掃描方式將雷達進行分類介紹

機械式激光雷達

1.1 機械旋轉式激光雷達

機械旋轉式Lidar的發射和接收模塊存在宏觀意義上的轉動。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。

機械旋轉Lidar分立的收發組件導致生產過程要人工光路對準，費時費力，可量產性差。目前有的機械旋轉Lidar廠商在走芯片化的路線，將多線激光發射模組集成到一片芯片，提高生產效率和量產性，降低成本，減小旋轉部件的大小和體積，使其更易過車規。

機械旋轉式激光雷達

（圖源: Velodyne官網）

優點：

• 技術成熟

• 掃描速度快

• 360度掃描

缺點：

• 可量產性差：光路調試、裝配復雜，生產效率低

• 價格貴：靠增加收發模塊的數量實現高線束，元器件成本高，主機廠難以接受

• 難過車規：旋轉部件體積/重量龐大，難以滿足車規的嚴苛要求

• 造型不易于集成到車體

混合固態激光雷達

混合固態激光雷達用“微動”器件來代替宏觀機械式掃描器，在微觀尺度上實現雷達發射端的激光掃描。旋轉幅度和體積的減小，可有效提高系統可靠性，降低成本。

2.1 MEMS陣鏡激光雷達

MEMS振鏡是一種硅基半導體元器件，屬于固態電子元件；它是在硅基芯片上集成了體積十分精巧的微振鏡，其核心結構是尺寸很小的懸臂梁——反射鏡懸浮在前后左右各一對扭桿之間以一定諧波頻率振蕩，由旋轉的微振鏡來反射激光器的光線，從而實現掃描。硅基MEMS微振鏡可控性好，可實現快速掃描，其等效線束能高達一至兩百線，因此，要同樣的點云密度時，硅基MEMS Lidar的激光發射器數量比機械式旋轉Lidar少很多，體積小很多，系統可靠性高很多。

優點：

• MEMS微振鏡擺脫了笨重的馬達、多發射/接收模組等機械運動裝置，毫米級尺寸的微振鏡大大減少了激光雷達的尺寸，提高了穩定性

• MEMS微振鏡可減少激光發射器和探測器數量，極大地降低成本

缺點：

• 有限的光學口徑和掃描角度限制了Lidar的測距能力和FOV，大視場角需要多子視場拼接，這對點云拼接算法和點云穩定度要求都較高

• 抗沖擊可靠性存疑

主要存在的問題：

（1）振鏡尺寸問題：

遠距離探測需要較大的振鏡，不但價格貴，對快軸/慢軸負擔大，材質的耐久疲勞度存在風險，難以滿足車規的DV、PV的可靠性、穩定性、沖擊、跌落測試要求。

（2）懸臂梁：

硅基MEMS的懸臂梁結構實際非常脆弱，快慢軸同時對微振鏡進行反向扭動，外界的振動或沖擊極易直接致其斷裂。

故障的懸臂梁

（圖源：無人駕駛網）

MEMS激光雷達點云數據

（圖源：RoboSense）

2.2 旋轉掃描鏡激光雷達

作為首款量產的L3級別自動駕駛的乘用車——奧迪A8上搭載的激光雷達就是旋轉掃描鏡激光雷達。與機械旋轉激光雷達不同的是，其激光發射模塊和接收模塊是不動的，只有掃描鏡在做機械旋轉。激光單元發出激光至旋轉掃描鏡（Mirror），被偏轉向前發射（掃描角度145°），被物體反射的光經光學系統被左下方的探測器接收。

Scala內部圖

（圖源：搜狐）

優點：

• 可車規，壽命長，可靠度高

缺點：

• 掃描線數少，掃描角度不能到360度

2.3 楔形棱鏡旋轉

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

Livox Lidar的工作原理示意圖

（圖源：Livox官網）

與MEMS Lidar相比，它可以做到很大的通光孔徑，距離也會測得較遠。與機械旋轉Lidar相比，它極大地減少了激光發射和接收的線數，降低了對焦與標定的復雜度，大幅提升生產效率，降低成本。

優點：

• 非重復掃描，解決了機械式激光雷達的線式掃描導致漏檢物體的問題

• 可實現隨著掃描時間增加，達到近100％的視場覆蓋率

• 沒有電子元器件的旋轉磨損，可靠性更高，符合車規

缺點：

• 單個雷達的FOV較小，視場覆蓋率取決于積分時間

• 獨特的掃描方式使其點云的分布不同于傳統機械旋轉Lidar，需要算法適配

Livox的點云分布圖

（圖源：Livox官網）

2.4 二維掃描振鏡激光雷達

這類激光雷達的核心元件是兩個掃描器——多邊形棱鏡和垂直掃描振鏡，分別負責水平和垂直方向上的掃描。特點是掃描速度快，精度高。比如：一個四面多邊形，僅移動八條激光器光束（相當于傳統的8線激光雷達），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267線。

Luminar激光雷達內部解剖圖

（圖源：Luminar）

優點：

• 轉速越高，掃描精度越高

• 可以控制掃描區域，提高關鍵區域的掃描密度

• 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80度

• 通光孔徑大，信噪比和有效距離要遠高于MEMS Lidar

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

• 激光雷達間抗干擾性強

缺點：

• 與MEMS技術比，其缺點是功耗高，有電機轉動部件

純固態激光雷達

3.1 Flash激光雷達

Flash激光雷達采用類似Camera的工作模式，但感光元件與普通相機不同，每個像素點可記錄光子飛行時間。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間，被焦平面探測器陣列探測，輸出為具有深度信息的“三維”圖像。根據激光光源的不同，Flash 激光雷達可以分為脈沖式和連續式，脈沖式可實現遠距離探測（100米以上），連續式主要用于近距離探測（數十米）。

Flash激光雷達的優勢在于能夠快速記錄整個場景，避免了掃描過程中目標或Lidar自身運動帶來的誤差。其缺點是探測距離近。

Flash Lidar的工作示意圖

（圖源：LeddarTech官網）

發射模組：Flash激光雷達采用的是垂直腔面發射激光器（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激光雷達的性能主要取決于焦平面探測器陣列的靈敏度。焦平面探測器陣列可使用PIN型光電探測器，在探測器前端加上透鏡單元并采用高性能讀出電路，可實現短距離探測。對于遠距離探測需求，需要使用到雪崩型光電探測器，其探測的靈敏度高，可實現單光子探測，基于APD的面陣探測器具有遠距離單幅成像、易于小型化等優點。

優點：

• 一次性實現全局成像來完成探測，無需考慮運動補償

• 無掃描器件，成像速度快

• 集成度高，體積小

• 芯片級工藝，適合量產

• 全固態優勢，易過車規

缺點：

• 激光功率受限，探測距離近

• 抗干擾能力差

• 角分辨率低

3.2 光學相控陣激光雷達（OPA）

很多軍用Lidar使用OPA（Optical Phased Array）光學相控陣技術。OPA運用相干原理，采用多個光源組成陣列，通過調節發射陣列中每個發射單元的相位差，來控制輸出的激光束的方向。OPA激光雷達完全是由電信號控制掃描方向，能夠動態地調節掃描角度范圍，對目標區域進行全局掃描或者某一區域的局部精細化掃描，一個激光雷達就可能覆蓋近/中/遠距離的目標探測。

Quanergy固態激光雷達

（圖源：Quanergy官方視頻截圖）

優點：

• 純固態Lidar，體積小，易于車規

• 掃描速度快（一般可達到MHz量級以上）

• 精度高（可以做到μrad量級以上）

• 可控性好（可以在感興趣的目標區域進行高密度掃描）

缺點：

• 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：光學相控陣要求陣列單元尺寸必須不大于半個波長

• 探測距離很難做到很遠

3.3 調頻連續波FMCW激光雷達

以三角波調頻連續波為例來介紹其測距/測速原理。藍色為發射信號頻率，紅色為接收信號頻率，發射的激光束被反復調制，信號頻率不斷變化。激光束擊中障礙物被反射，反射會影響光的頻率，當反射光返回到檢測器，與發射時的頻率相比，就能測量兩種頻率之間的差值，與距離成比例，從而計算出物體的位置信息。FMCW的反射光頻率會根據前方移動物體的速度而改變，結合多普勒效應，即可計算出目標的速度。

FMCW原理2

優點：

• 每個像素都有多普勒信息，含速度信息

• 解決Lidar間串擾問題

• 不受環境光影響，探測靈敏度高

缺點：

• 不能探測切向運動目標

FMCW與常見的TOF測距原理的對比：

TOF

優點

系統簡單，成本低

平均功率低

測距精度高

能探測出切向運動的目標

缺點

環境光的抗干擾性比FMCW稍差

波段接近人眼可響應的范圍

FMCW

優點

環境光抗干擾能力強

1550nm波長對人眼安全更有利

除距離和intensity信息外還能得到速度信息

缺點

系統復雜度高，成本高

平均能耗高

不能探測出切向運動的目標（比如橫穿馬路的人/車）

發展趨勢

激光雷達是實現無人駕駛的重要傳感器部件之一。評價一款激光雷達產品，要從性能、技術成熟度、成本、“車規”化等多個維度去衡量。機械式激光雷達：目前是自動駕駛公司的主流方案，技術成熟可靠，具備360度視場角，高分辨率等性能優勢，但限于工藝等因素難以量產。部分機械雷達廠商正在通過芯片化的路線提高生產效率，降低成本，并使其符合車規。考慮到固態雷達的迭代過程，短期內機械式激光雷達仍將是自動駕駛的主流選擇。MEMS等半固態激光雷達：目前技術相對成熟，能兼顧成本、性能、車規等要求，但抗沖擊可靠性存疑。長遠來看，僅屬于過渡產品。全固態激光雷達：長遠看，激光雷達的主流趨勢會轉向全固態。Flash技術領先，但受限于元器件性能，無法實現遠距離探測；OPA具有一定的技術壁壘；FMCW具有探測距離遠，靈敏度高，抗干擾能力高，成本低，功耗低等特點，但技術門檻高，對系統集成，信號處理要求很高，目前尚未量產。

總的看來，激光雷達固態化會持續推進，技術仍然有很長的探索期。

參考文獻：

1.Sandborn, P. A. M. (2017). FMCW Lidar: Scaling to the Chip-Level and Improving Phase-Noise-Limited Performance. eScholarship, University of California.

2.SENSING-AIOT.(2021). LiDAR: FMCW vs. ToF. http://4da.tech/?p=272

3.AEye, Inc.(2021)Time of Flight vs. FMCW LiDAR Side-by-Side Comparison FMCW sToF_21_0113.

4.Liu, Z., Zhang, F., & Hong, X. (2021). Low-cost retina-like robotic lidars based on incommensurable scanning. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics.

4.http://www.wrdrive.com/news/show.php?itemp202107/23/oaJ8ZP6mfm.png">