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车载激光雷达的工作原理及应用

李慢慢

10月前浏览2664

大家好，我是团长。

继续研究自动驾驶领域的一些基础知识。

本期研究的是车载激光雷达的工作原理和应用情况。

1、激光雷达的定义及原理

2、激光雷达的类型及应用

3、激光雷达的线束扫描原理

4、激光雷达的主要指标

5、激光雷达的应用

1、激光雷达的定义及原理

激光雷达是工作在光频波段的雷达，它利用光频波段的电磁波向目标发射信号，然后接收被障碍物反射回来的相同信号，将两个信号进行比对分析，从而计算出障碍目标的距离、方向和高度、甚至算出目标的速度和姿态等信息。

2、激光雷达的类型及应用

激光雷达目前常见的有三种。

2.1、机械旋转式雷达

这种雷达通过旋转，将光束360°水平扫描，借此获得周围环境的建模。由于需要额外的旋转机构，这种雷达体积较大，价格昂贵。

2.2、混合式车载激光雷达

混合式车载激光雷达将微机电系统(MEMS)与振镜结合形成MEMS 振镜，通过振镜旋转完成激光扫描，一般称为MEMS 车载激光雷达。其发射系统结构如下图所示，驱动电路驱动激光器产生激光脉冲同时驱动MEMS 振镜旋转，激光在旋转振镜的反射下实现扫描，经发射光学单元准直后出射。

MEMS 激光雷达通过在硅基芯片上集成的MEMS 微振镜来代替传统的机械式旋转装置，由微振镜反射激光形成较广的扫描角度和较大的扫描范围。

优点：

MEMS 微振镜相对成熟，可以以较低的成本和较高的准确度实现固态激光扫描（只有微小的微振镜振动），并且可以针对需要重点识别的物体进行重点扫描，落地快；

缺点：

没有解决接收端的问题，光路较复杂，仍然存在微振镜的振动，这个结构会影响整个激光雷达部件的寿命，并且激光扫描受微振镜面积限制，与其他技术路线在扫描范围上有一定差距。

2.3、全固态车载激光雷达

全固态车载激光雷达，完全取消了机械扫描结构，水平和垂直方向的激光扫描均通过电子方式实现；相比于仍保留有“微动”机械结构的MEMS激光雷达来说，电子化的更加彻底。由于其内部没有任何宏观或微观上的运动部件，可靠性高、耐持久使用，系统整体体积缩小。

全固态车载激光雷达主要包括光学相控阵(OPA)车载激光雷达和闪光(Flash)型车载激光雷达两种。

2.3.1、光学相控阵OPA激光雷达

光学相控阵OPA（Optical Phased Array）固态激光雷达原理是多处振动产生的波相互叠加，有的方向互相增强，有的方向抵消，采用多个光源组成阵列，通过控制各光源发射的时间差，可以合成角度灵活、精密可控的主光束。

优点：

没有任何机械部件，结构相对简单，精度高，体积小，成本低。

缺点：

在主光束以外会形成“旁瓣”，到时能量分散，并且阵列单元尺寸小于500nm，对加工精度要求高，扫描角度有限，接收端方案薄弱，接收面大、信噪比较差。

2.3.2、3D-Flash 激光雷达

3D-Flash激光雷达以一次脉冲向全视野发射，利用飞行时间成像仪接收反射信号并成像，发射的激光波长是关键因素。如果使用905nm，虽然成本较低，但功率受限，因此探测距离不够远。若使用1550nm，在接收上需要更高成本的探测器，目前尚没有商用条件。也有一批厂商采用Flash 技术路线，对成本和人眼保护的平衡形成了一定的解决方案。

2.4、各种激光雷达应用现状

2020-2022 年以前的L3 级别自动驾驶车量产可能会以MEMS激光雷达为主，因为它成本较低，微振镜技术较成熟，可以较短时间内进行低成本的量产。例如Velodyne、Innoviz 等与车企或Tier1 有合作的激光雷达公司目前都采用这个技术路线。

2022 年后L4 或以上级别自动驾驶车量产的阶段，预计OPA 的旁瓣效应或3D Flash 的人眼保护问题将得到较大程度的解决，届时可能会替代MEMS 成为真正无任何移动部件的固态激光雷达，因为MEMS 毕竟存在一个振动部件，在寿命和工作稳定性上较难与其他技术路线PK。

但是具体哪种技术路线会最终跑赢目前较难下结论，需要看不同技术路线代表性公司的研发进度。

此外，机械式激光雷达依然有其用武之地。机械式激光雷达精度较高，信息细节较丰富，对于自动驾驶出租公司或Uber 等共享出行公司有特殊用途，如搜集路况、交通甚至路边的建筑等信息，有助于路线设计等需求。

3、激光雷达线束的扫描原理

根据雷达的线束的多少，激光雷达又可以分为单线雷达和多线雷达。

单线雷达扫描一次只产生一条扫描线，多线雷达则一次能产生多条扫描线。简单感受下单线扫描的效果。

机械旋转式激光雷达的单线扫描

MEMS式激光雷达的单线扫描

多线扫描的原理则是在单线的基础上，并列多根单线同时进行扫描，如下图所示。目前市面上比较多见的如4线、8线、16线、32线、64线、128线等。还可以细分为2.5D和3D激光雷达。2.5D与3D激光雷达的区别在于，激光雷达垂直视野的范围，前者垂直视野范围一般不超过10°，后者可以达到30°甚至40°以上，这也就导致两者对于激光雷达在汽车上的安装位置要求有所不同。