激光雷達（LiDAR）-三個皮匠報告百科

激光雷達是什么

激光雷達(Light Detection And Ranging，簡稱"；LiDAR"；)即光探測與測量，是一種集激光、全球定位系統(GPS)和IMU(Inertial Measurement Unit，慣性測量裝置)三種技術于一身的系統，用于獲得數據并生成精確的DEM(數字高程模型)。這三種技術的結合，可以高度準確地定位激光束打在物體上的光斑，測距精度可達厘米級，激光雷達最大的優勢就是"；精準"；和"；快速、高效作業"；^[1]。

原理

激光雷達可以高精度、高準確度地獲取目標的距離、速度等信息或者實現目標成像。激光雷達工作過原理:激光通過掃描器單元形成光束角度偏轉，光束與目標作用形成反射/散射的回波。當接收端工作時，可產生原路返回的回波信號光子到達接收器，接收端通過光電探測器形成信號接收，經過信號處理得到目標的距離、速度等信息或實現三維成像。

激光雷達

構成

激光雷達由激光發射、激光接收、信息處理、掃描系統四大基礎系統構成，這四大系統相互協作，進而短時間內獲取大量的位置點信息，并根據這些信息實現三維建模。

①激光發射系統:激勵源周期性地驅動激光器，發射激光脈沖，激光調制器通過光束控制器控制發射激光的方向和線數，最后通過發射光學系統，將激光發射至目標物體；

②激光接收系統:經接收光學系統，光電探測器接受目標物體反射回來的激光，產生接收信號；

③信息處理系統:接收信號經過放大處理和數模轉換，經由信息處理模塊計算，獲取目標表面形態、物理屬性等特性，最終建立物體模型。

④掃描系統:以穩定的轉速旋轉起來，實現對所在平面的掃描，并產生實時的平面圖信息^[1]。

激光雷達

激光雷達分類

(1)功能用途分類：跟蹤雷達(用于測距和測角)、運動目標指示雷達(獲取目標的多普勒信息)、流速測量雷達(測量多普勒信息)、風切變探測雷達、目標識別雷達、成像雷達(測量目標不同部位的反射強度和距離等信號)和振動傳感雷達等

(2)工作體制分類：多普勒激光雷達、合成孔徑成像激光雷達、差分吸收激光雷達、相控陣激光雷達等便攜式激光雷達、地基激光雷達、車載激光雷達(汽車搭載)、機載激光雷達(飛機搭載)、船載激光雷達、星載激光雷達(飛機搭載)和彈載激光雷達等

(3)工作介質分類：固體激光雷達、氣體激光雷達、半導體激光雷達、二極管泵浦固體激光雷達等

(4)探測技術分類：直接探測型、相干探測型

(5)載荷平臺分類：便攜式激光雷達、地基激光雷達、車載激光雷達(汽車搭載)、機載激光雷達(飛機搭載)、船載激光雷達、星載激光雷達(飛機搭載)和彈載激光雷達等^[1]

激光雷達優勢

(1)分辨率高，激光雷達可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率，這意味著激光雷達可以利用多普勒成像技術獲得非常清晰的圖像。

(2)精度高，激光直線傳播、方向性好、光束非常窄，彌散性非常低，因此激光雷達的精度很高。

(3)抗有源干擾能力強，與微波、毫米波雷達易受自然界廣泛存在的電磁波影響的情況不同，自然界中能對激光雷達起干擾作用的信號源不多，因此激光雷達抗有源干擾的能力很強。

(4)具有極高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率：其探測精度在厘米級以內，能夠準確的識別出障礙物具體輪廓、距離，不會漏判、誤判前方出現的障礙物。

(5)獲取的信息量豐富，能夠直接獲取目標的距離、角度、反射強度、速度等信息，生成目標的多維度圖像：高頻激光在在一秒內獲取大約150萬個的位置點信息，利用這些有距離信息的點云，能夠精確還原周圍環境的三維特征。

(6)全天時工作：與毫米波雷達不同的是，激光雷達能夠實現對人體的探測，激光雷達比攝像頭的探測距離更遠。

(7)探測距離遠:激光雷達的激光波長在千納米級別，指向性好，不會拐彎，也不會隨著距離的增大而擴散，也不會受到像素和光線的制約。

激光雷達性能指標

激光雷達的主要性能指標包括安全等級、探測距離、FOV(垂直+水平)、角分辨率、出點數、線束、輸出參數、IP防護等級、激光發射方式(機械/固態)、使用壽命、波長、功率、供電電壓等。

(1)安全等級：激光雷達的安全等級是否滿足Class1，需要考慮特定波長的激光產品在完全工作時間內的激光輸出功率，即激光輻射的安全性是波長、輸出功率，和激光輻射時間的綜合作用的結果。

(2)探測距離：激光雷達的測距與目標的反射率相關。目標的反射率越高則測量的距離越遠，目標的反射率越低則測量的距離越近。因此在查看激光雷達的探測距離時要知道該測量距離是目標反射率為多少時的探測距離。

(3)FOV：激光雷達的視場角有水平視場角和垂直視場角。如果是機械旋轉激光雷達，則其水平視場角為360度。

(4)角分辨率：一個是垂直分辨率，另一個是水平分辨率。水平方向上做到高分辨率其實不難，因為水平方向上是由電機帶動的，所以水平分辨率可以做得很高。一般可以做到0.01度級別。垂直分辨率是與發射器幾何大小相關，也與其排布有關系，就是相鄰兩個發射器間隔做得越小，垂直分辨率也就會越小。垂直分辨率為0.1~1度的級別。

(5)出點數：每秒激光雷達發射的激光點數。激光雷達的點數一般從幾萬點至幾十萬點每秒左右。

(6)線束：多線激光雷達，就是通過多個激光發射器在垂直方向上的分布，通過電機的旋轉形成多條線束的掃描。多少線的激光雷達合適，主要是說多少線的激光雷達掃出來的物體能夠適合算法的需求。理論上講，當然是線束越多、越密，對環境描述就更加充分，這樣還可以降低算法的要求。常見的激光雷達的線束有

(7)輸出參數：障礙物的位置(三維)、速度(三維)、方向、時間戳(某些激光雷達有)、反射率

(8)使用壽命：機械旋轉的激光雷達的使用壽命一般在幾千小時；固態激光雷達的使用壽命可高達10萬小時。

(9)激光發射方式：傳統的采用機械旋轉的結構，固態激光雷達主要由三類-Flash、MEMS、OPA。Flash激光雷達只要有光源，就能用脈沖一次覆蓋整個視場。隨后再用飛行時間(ToF)方法接收相關數據并繪制出激光雷達周圍的目標。MEMS激光雷達其結構相當簡單，只要一束激光和一塊反光鏡

激光雷達技術路線

激光雷達按照“測距、發射、光速操縱、探測、數據處理”五大關鍵技術，即五個維度，可以分為多個類別。每個不同分類方式又可進一步細分為不同的技術路線，不同路線之間差異較大^[2]。

(1)飛行時間法(Time of Flight，ToF)：通過記錄發射一束激光脈沖與探測器接收到回波信號的時間差，直接計算目標物與傳感器之間距離的探測方法。

(2)三角測距法：系統以一定角度發射的激光照射在目標物后，在另一角度對反射光進行成像，根據物體在攝像頭感光面上的位置通過三角幾何原理推導出目標物距離的探測方法。

(3)調頻連續波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)：指發射調頻連續激光，通過回波信號與參考光進行相干拍頻得到頻率差，從而間接獲得飛行時間反推目標物距離，同時也能夠根據多普勒頻移信息直接測量目標物的速度。

(4)邊發射激光器(Edge Emitting Laser，EEL)：指一種激光發射方向平行于晶圓表面的半導體激光器。

(5)垂直腔面發射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)：指一種激光發射方向垂直于晶圓表面的半導體激光器。

(6)光子晶體結構表面發射激光器(Photonic Crystal Surface Emitting Lasers，PCSEL)：指一種采用2D光柵結構(光子晶體)、可對光線進行線性正交散射的半導體激光器，激光發射在平面外且方向垂直。

(7)光纖激光器：指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的激光器。

(8)光源905nm：最常用的激光光源波長，但處于人眼可吸收光譜中，需要控制功率。

(9)光源1550nm：新型激光光源波長，不處于人眼可吸收光譜中，可以加大功率。

(10)PIN PD：工作無增益的光電二極管。

(11)雪崩式光電二極管(Avalanche Photo Diode，APD)：工作在線性增益范圍的光電二極管。

(12)單光子雪崩二極管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)：工作在蓋革模式、具有單光子探測能力的光電二極管。

(13)硅光電倍增管(Silicon Photo-Multiplier，SiPM)集成了成百上千個單光子雪崩二極管的光電探測器件。

(14)襯底材料硅：制作半導體最常用的材料，規?；a、工藝改進使得成本極低；吸收光的波長范圍為 300-1200nm。

(15)襯底材料銦鎵砷可吸收900-1700nm波長范圍的光，未規?；a。

(16)機械式：通過電機帶動收發陣列進行整體旋轉，實現對空間水平360°視場范圍的掃描，測距能力在水平360°視場范圍內保持一致。

(17)混合固態：微機電系統(Micro-Electro Mechanical System，MEMS)采用高速振動的MEMS振鏡實現對空間一定范圍的掃描測量，其中MEMS微振鏡為采用MEMS技術制造的諧振式掃瞄鏡。

(18)轉鏡：轉鏡方案中收發模塊保持不動，電機在帶動轉鏡運動的過程中將光束反射至空間的一定范圍，從而實現掃描探測。

(19)固態：光學相控陣(Optical Phase Array，OPA)：通過對陣列移相器中每個移相器相位的調節，利用干涉原理實現激光按照特定方向發射的技術。

(20)固態：電子掃描：按照時間順序通過依次驅動不同視場的收發單元實現掃描，系統內沒有機械運動部件，是純固態激光雷達的一種發展方向。

(21)現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)：指專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路。

(22)高性能單片機(Micro controller Unit，MCU)：把 CPU的頻率與規格做適當縮減，形成芯片級的計算機，為不同的應用場合做不同組合控制。

(23)數字信號處理單元(Digital Signal Processor，DSP)：內部采用程序和數據分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速的實現各種數字信號處理算法。

(24)片上系統芯片(System on Chip，SoC)：單個芯片集成光電探測器、前端電路、波形數字化、算法處理、激光脈沖控制等功能模塊，能夠顯著降低系統復雜度和成本，適合大規模量產，有條件取代主控單元FPGA。

激光雷達

激光雷達發展歷程

(1)1960年代~1970年代：隨著激光器的發明，基于激光的探測技術開始得到發展，應用在科研及測繪項目，代表事件是1971年阿波羅15號載人登月任務使用激光雷達對月球表面進行測繪

(2)1980年代~1990年代：激光雷達商業化技術起步，單線掃描式激光雷達出現，應用在工業探測及早期無人駕駛項目；代表事件是Sick與Hokuyo等激光雷達廠商推出單線掃描式2D激光雷達產品

(3)2000年代：高線數激光雷達開始用于無人駕駛測試項目，DARPA無人駕駛挑戰賽推動了高線數激光雷達在無人駕駛中的應用，

(4)2000年代~2010年代早期：高線數激光雷達開始用于無人駕駛的避障和導航，其市場主要是國外廠商，應用在無人駕駛測試項目等；代表事件是DARPA無人駕駛挑戰賽推動了高線數激光雷達在無人駕駛中的應用，此后Velodyne深耕高線數激光雷達市場多年。IbeoLUX系列產品包含基于轉鏡方案的4線、8線激光雷達。2010年Ibeo與法國Tier1公司Valeo開始合作開發面向量產車的激光雷達產品SCALA

(5)2016年~2018年：國內激光雷達廠商入局，技術水平趕超國外廠商。激光雷達技術方案呈現多樣化發展趨勢；應用在無人駕駛、高級輔助駕駛、服務機器人等，下游開始有商用化項目落地；代表事件是禾賽科技發布40線激光雷達Pandar40。采用新型技術方案的激光雷達公司同樣發展迅速，如基于MEMS方案的Innoviz，基于1550nm波長方案的Luminar等

(6)2019年至今：激光雷達技術朝向芯片化、陣列化發展。境外激光雷達公司迎來上市熱潮，有巨頭公司加入激光雷達市場競爭；應用在無人駕駛、高級輔助駕駛、服務機器人、車聯網等領域；代表性事件是Ouster推出基于VCSEL和SPAD陣列芯片技術的數字化激光雷達。禾賽科技應用自主設計的芯片組于多線機械旋轉式產品。Velodyne、Luminar、Aeva、Innoviz等海外激光雷達公司陸續完成上市。多家車企發布搭載激光雷達方案的智能汽車

激光雷達應用行業

(1)無人駕駛行業：從車隊規模、技術水平以及落地速度來看，海外相比國內仍具有一定的領先優勢。 (2)高級輔助駕駛行業：通常需要激光雷達公司與車廠或 Tier 1 公司達成長期合作，一般項目的周期較長。 (3)服務機器人行業：國內快遞和即時配送行業相比國外市場容量大，服務機器人國內技術發展水平與國外相當，從機器人種類的豐富度和落地場景的多樣性而言，國內企業更具優勢。(4)車聯網行業：得益于“新基建”等國家政策的大力推動，國內車聯網領域發展較國外更加迅速^[3]。

激光雷達