激光雷達是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱，又稱LiDAR（Light Detection And Ranging），它通過向目標發(fā)射探測信號（激光束），將從探測目標反射回來的信號與發(fā)射信號進行比較和處理，從而獲得目標距離、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、按測距原理分類

按測距原理大體可分類為三種：ToF、FMCW和三角測距。

（一）ToF

TOF是目前最為成熟和廣泛應(yīng)用的測距方式，它的原理是根據(jù)光反射回的時間來測距。具體來說是通過用脈沖激光照亮目標并測量反射返回信號的特性來工作。脈沖光的寬度范圍可以從幾納秒到幾微秒。TOF激光雷達主要部件有激光器、放大器、光電轉(zhuǎn)換器等。現(xiàn)階段的TOF激光源主要有905nm和1550nm兩種，一般來說905nm探測距離大約為100-200m，由于靠近可見光對人眼有影響，因此難以通過加大功率增加探測距離，導(dǎo)致探測距離有限。1550nm探測距離能達到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器芯片，導(dǎo)致當前成本較高。但綜合來看，ToF仍然是當前市場中最為成熟的激光雷達測距方式，是激光雷達商業(yè)化的首選方式。相比其他方式，ToF的最大優(yōu)勢在于探測精確、性價比高、技術(shù)成熟、響應(yīng)速度快。

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

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

（圖片來源于CSDN）

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

（二）FMCW

FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave）是一種對光進行調(diào)頻，根據(jù)頻率差得到物體距離的測距方式。接收器采用相干檢測，可以獲得更高的探測距離，抗干擾能力更強，并且能夠直接檢測物體的速度，并立即區(qū)分靜止物體、相向和同向行駛。FMCW激光雷達主要有激光器、探測器、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?？梢酝ㄟ^反射信號和發(fā)射信號的頻率是否相同判斷物體是否處于靜止狀態(tài)。對于逐漸靠近的物體，返回信號會產(chǎn)生正向多普勒頻移，對于逐漸遠離的物體，返回信號會產(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)分物體移動方向。

（三）三角測距

三角測距方式通過激光雷達發(fā)射激光，反射光通過接收透鏡打再線陣CCD/CMOS上，根據(jù)打在CCD/CMOS上的光點與主光軸的距離d，利用相似三角形原理計算出物體與激光雷達的距離D。所以，當距離很遠時（即D很大，d很小時），此時d的變化就對D的變化不再敏感，激光雷達的精度大打折扣。因此三角測距原理的激光雷達一般只適用于家用掃地機器人等小場景。

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，所以對算法有較高的要求。FMCW可以根據(jù)多普勒效應(yīng)判斷目標移動方向，信息更豐富且對環(huán)境強光和其他激光具有很好的抗干擾性能?？傮w來看測距方式未來將從TOF逐漸向FMCW切換，且兩種測距方式將會在不同場景中共存。

二、按掃描方式分類

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

1、機械式

最初的機械式激光雷達基本都是掃描方式，但由于存在零件多、壽命短、價格貴、體積大等缺點，無法廣泛應(yīng)用于車載場景。機械式激光雷達收發(fā)光源、接收器以及掃描系統(tǒng)排列在底座上。隨著外部電機的轉(zhuǎn)動，收發(fā)架構(gòu)會沿著這個圓盤進行轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)水平空間的360度掃描。優(yōu)點是外部電機控制技術(shù)比較成熟且能夠長時間保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；缺點一方面是體積大難以集成到車頂，且激光雷達價格仍然過高而不符合大規(guī)模自動駕駛場景的需求，另一方面是高頻的轉(zhuǎn)動和復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其壽命平均為1000-3000小時，難以達到車規(guī)級設(shè)備最低13000小時的要求。

2、半固態(tài)

半固態(tài)激光雷達也稱混合固態(tài)激光雷達，是當前激光雷達最主流的結(jié)構(gòu)，也是現(xiàn)階段市場公認的未來十年車規(guī)量產(chǎn)的最佳路線。相比機械式激光雷達，半固態(tài)激光雷達雖然視場相對較窄，但結(jié)構(gòu)更簡單、成本更低的，適合作為前置主激光雷達量產(chǎn)上車。半固態(tài)激光雷達的掃描方式可細分為轉(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)用來看1550nm和雙軸鏡掃描方案在探測距離、精度和上車穩(wěn)定性方面暫時領(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)點是收發(fā)系統(tǒng)固定在整個雷達模塊里，旋轉(zhuǎn)模塊比較小，能夠極大的減少體積，壓縮成本。同時由于重量較輕，電機軸承負荷小，使得運行更加穩(wěn)定，壽命更長，更容易滿足車規(guī)需求。波長方面同時存在905nm和1550nm技術(shù)路徑。

MEMS方案是用芯片級別的小鏡子取代機械轉(zhuǎn)軸。MEMS是芯片化的組件，擺脫了電機、鏡面等機械組件，實現(xiàn)了毫米級的激光雷達尺寸，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[動角度和通光口徑偏小，測距能力有限且需要更多激光器拼接多個點云，對算法和穩(wěn)定性均有較高要求。在車載方面，MEMS本身屬于微振動敏感性器件，易受沖擊、振動、溫漂的影響，在長時間車載使用的過程種中會受到一定的挑戰(zhàn)。

棱鏡掃描適合低速高精場景。棱鏡掃描采用2-3塊棱鏡控制激光雷達掃描非重復(fù)性的方向，典型特征是輸出的圖像中間會比周邊的掃描密度大一些。在時間充裕下可掃描整個視場。棱鏡主要優(yōu)點是透光性較好，不需要太多激光器、收發(fā)器，能夠降低成本。同時組件可以固定，可靠性更高。棱鏡方案劣勢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導(dǎo)致激光雷達在高速移動過程中出現(xiàn)成像不連續(xù)的情況，需要后期算法補償。基于以上特征，棱鏡方案更適合掃描精度要求高、時效要求低的應(yīng)用場景。

3、純固態(tài)

固態(tài)激光雷達是激光雷達的發(fā)展方向，主要包括Flash激光雷達和OPA激光雷達。純固態(tài)激光雷達在混合固態(tài)方案的基礎(chǔ)上進一步簡化機械結(jié)構(gòu)，采用固定光源和固定探測模式，不需要掃描器件可以實現(xiàn)更低成本并且無需擔憂電機穩(wěn)定性。根據(jù)調(diào)研結(jié)果來看，目前純固態(tài)激光雷達缺陷尚未完全解決，其中Flash激光雷達的缺點在于探測距離近；OPA激光雷達對材料要求比較苛刻，目前做出的產(chǎn)品也只能探測20-30m距離。Flash方案和照相機成像的原理非常類似。Flash方案的光路和架構(gòu)都比較簡單，收發(fā)對稱，沒有任何的掃描組件，成本更低、可靠性更高。缺點在于不管是采用VCSEL還是EEL光源，發(fā)射后能量發(fā)散會導(dǎo)致測距能力下降。

OPA激光雷達通常搭配FMCW測距方式，未來有望實現(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500m探測距離。OPA采用相干原理，在兩個水波紋疊加后，如果滿足半波長的整數(shù)倍，會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)的時間差從而控制掃描方向。這種方案的主要優(yōu)點在于集中度很高，并且波長和方向優(yōu)勢帶來更高信噪比，體積更小，更適合車規(guī)級需求。OPA方案的難點是插入損耗和旁瓣問題。具體來看是因為同一束光產(chǎn)生干涉，在相鄰的幾束光滿足條件后很容易形成旁瓣，會有多余的能量分掉探測主能量，影響測距能力。純固態(tài)激光雷達部分技術(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閃光激光雷達原理完全不同，他不是通過掃描的方式，而是在短時間內(nèi)直接向前方發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，通過高度靈敏的接收器實現(xiàn)對環(huán)境周圍圖像的繪制。Flash激光雷達的原理類似于拍照，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)簡單，F(xiàn)lash閃光激光雷達是目前純固態(tài)激光雷達最主流的技術(shù)方案。但是由于短時間內(nèi)發(fā)射大面積的激光，因此在探測精度和探測距離上會受到較大的影響，主要用于較低速的無人駕駛車輛，例如無人外賣車、無人物流車等，對探測距離要求較低的自動駕駛解決方案中。

從掃描方式來看激光雷達從機械式逐漸向純固態(tài)演進。通過零件更少的架構(gòu)和更先進的測距方式獲得更強的穩(wěn)定性、更長的壽命、更遠的探測距離、更高的探測精度以及更低的成本。目前已有量產(chǎn)車型的激光雷達多采用混合固態(tài)結(jié)構(gòu)，短期來看未來5-8年混合固態(tài)激光雷達將成為主流解決方案，單個混合固態(tài)激光雷達量產(chǎn)后價格有望降至500美元以內(nèi)；長期來看固態(tài)激光雷達在獲得硅光技術(shù)突破后值得期待。