激光雷达概览

发展历程

激光雷达LiDAR（Light Detection And Ranging）是激光探测及测距系统的简称，主要构成要素包括发射系统、接收系统和信号处理系统。激光雷达系统的核心组件主要有激光发射器、扫描器及光学组件、光电探测器及接收IC，以及位置和导航器件等，可提供高分辨率的几何图像、距离图像、速度图像。

激光雷达测量周围环境生成点云

工作原理

激光雷达的物理原理本质上就是“距离=速度*时间”，通过测量激光信号的信号差和相位差来确定距离。相较于发射电磁波的毫米波雷达和发射机械波的超声波雷达，激光雷达主动发射波长约为900-1,500nm的激光射线，利用多普勒成像技术，创建出目标清晰的3D图像，是其它传感器无法比拟的感知能力。

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，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，激光雷达线数越多，测量精度越高，安全性就越高。

激光雷达工作原理

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。

车载激光雷达性能评价包括显性参数与隐性指标。显性参数指列示在产品参数表中的信息，主要包含测远能力、点频、角分辨率、视场角范围、测距精准度、功耗、集成度（体积及重量）等。隐性指标包含激光雷达产品的可靠性、安全性、使用寿命、成本控制、可量产性等，这些指标更加难以量化，也缺乏公开信息，只能通过产品是否应用于行业领先企业的测试车队或量产项目中得以体现。

激光雷达主要性能参数

激光雷达核心构成包括激光发射系统、扫描系统（光束操纵元件）、传输与接收光学系统、光电探测器及信号处理系统。其中扫描系统、激光发射器和光电探测器均存在不同技术路线，进而导致激光雷达整机技术路线繁多。目前，激光雷达四大系统包括激光器、光束控制器、FPGA芯片在内的核心元件基本被国外大厂垄断。

激光雷达内部结构图

资料来源：滨松电子

激光雷达分类方式多样，根据测距原理、扫描方式、激光发射、激光接收等环节所采取的方案不同，均可对激光雷达进行分类。其中又以测距原理和扫描方式的分类最为常见。按扫描方式正成为车载激光雷达厂商分类定位的主要依据。究其原因，在于扫描技术直接决定了激光雷达的扫描频率、扫描范围、采集数据量等关键技术参数，与最终探测成像质量息息相关。此外，扫描技术的演变还是产品迈向小型化、高性能、低成本的重要一环，是车载激光雷达能否实现商业化量产的关键因素之一。根据内部有无运动器件，激光雷达可分为机械旋转式、混合固态式以及纯固态式三大类别。

当前业界并无终极解决方案。基于探测距离、视场角、信噪比、体积、稳定性、成本控制、技术成熟度等多维度，对于不同测距原理、扫描方式下方案的整理如下表所示，可见不同方案均有各自优劣，主机厂在当前阶段需在不同考量维度中进行取舍。

激光雷达主流分类方式及优劣性

资料来源：IDTechEx