激光雷达Lidar底层原理技术详解

智驾最前沿 2023-03-27 08:30

精密双向电流传感放大器：精准测量，守护电流安全 您在使用示波器时面临的最大挑战是什么？

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激光雷达 LiDAR 概述

激光雷达Lidar 是Light detection and ranging的简称，即“激光探测和测距”，其工作模式同样是发射-反射-接收-计算，当然各个环节上同Ra几年前第一次听到 “激光雷达” 的概念时候，我的第一印象并非极富科技感的3D点云，而是想起小时候被人用激光电棒晃眼睛的恐惧，进而联想到汽车顶着一个大号激光电筒把我晃瞎的情形。事实上，车用LiDAR的激光波长属于处于人眼看不到的红外线波段。（但这也不代表红外线对人类眼睛无害，尤其是接近可见光的905nm激光，需要对其功率做出限制）

*注：对于激光雷达的介绍，太多文章互相抄来抄去，而对于底层的原理分析并不够深。并且总是从投资者的角度出发，过多关注企业的经营状况和投资意见。而作为自动驾驶的技术相关人员，追踪厂家的产销情况是没有多少意义的，这些信息总会随着时间流逝而不断变化。我们只需要知道当前激光雷达工作的最基本的原理：

1）原子的受激辐射原理；（根本的物理学原理）

2）EEL、VSCEL、光纤激光器的原理；（激光发生器件的基础原理）

3）PD、APD、SPAD、SiPM原理；（激光接受器件的基础原理）

4）ToF、FMCW的测距原理；（激光测距的原理）

5）机械式、棱镜、转镜、MEMS、OPA相控阵、FLASH；（让激光转动起来，完成扫描的原理）

所谓市面上的激光雷达，无非就是以上技术原理的排列组合而已。熟悉于原理才能一眼看透背后的本质，后面也就不会迷失在一些报告的胡吹乱侃中。

LiDAR的基础物理学原理

2.1 原子能级与自发辐射

前面提到，雷达发射的电磁波，本质上是由交变电流转化而来。而到了光波，人类目前并没有能力制造数百THz的交变电流从而产生电磁波，此时就需要借助原子来产生光波。

再次将视角切回高中，丹麦物理学家玻尔提出了原子的能级结构：即原子只能处于一系列不连续的能量状态中，而不能处于中间的状态，原子不同能量状态对应于电子不同的运行轨道（1s 2s 2p 3s 3p 3d ......）。

当原子从一种定态跃迁到另一种定态时，会辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差ΔE决定，且 hv=ΔE （h为普朗克常数，v为频率）。

光子、电子轰击、外部加热等作用下，原子会从低能级跃迁到高能级（激发态），而激发态原子又会自发的向更稳定的低能级跃迁，此时能量会以光子的形式发射出来。在此过程中，不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性，我们称之为自发辐射（spontaneous emission）。

这其实就是我们日常生活中白炽灯、节能灯管、LED灯的发光原理。例如节能灯管就是电子轰击汞原子，汞原子产生紫外线，紫外线照射荧光物质最终产生可见光。

2.2 受激辐射与激光

还另一种更有规律的辐射方式：受激辐射（Stimulated emission）。当激发态原子处在外来电磁辐射场的作用下，而这个外来光子的能量恰好又是原子两能级的能量差。这个时候，会引起类似“雪崩”的效应，众多激发态原子发出的光子的频率、相位、传播方向、偏振状态与外来光子完全相同。

此理论由爱因斯坦在1917年在《关于辐射的量子理论》中发表。

激光就是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （受激辐射光扩大）的简称。而后受激辐射会经过一个谐振腔。基础的谐振腔由两片平行的反射镜构成，一片为全反射，另一片部分反射。那么，其结果是：方向不沿轴线的激光会被滤除，而沿轴线的激光则会被加强。向外输出的就是波长一致、方向一致、波束极窄的光——激光。

这种一致性是极其宝贵和罕见的，普通雷达天线发射的电磁波无论如何都做不到在方向上的高度一致。而激光具备的方向性和波束宽度，使激光雷达的角分辨率可以暴打其他传感方式。

2.3 激光器件的种类

至于车用激光器的种类，大概有以下三种：

1）边缘发射激光器（Edge Emitting Laser，EEL ）：

发射功率较大，可探测距离远，光斑呈"纺锤状"。

2）垂直腔表面发射激光器（Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL ）：发射光束窄且圆，易于实现芯片上的大规模阵列，这一特性十分重要。缺点：当前器件功率略低，探测距离短。单轴转镜雷达以及Flash激光雷达都会采用VCSEL，这将会是未来的主要方向。

比如，Iphone搭载了VCSEL激光雷达，Face ID即基于激光雷达的人脸扫描识别。2022新上市的禾赛AT128同样采用了128个集成的VCSEL激光器。

3）光纤激光器

905nm激光与1550nm激光

激光的波长很大程度上与激光器自身的物理性质相关（还与环境温度等参数相关）。比如，硅激光器中心频率为905nm，磷化铟激光器中心频率为1550nm。

显然，相对于905nm激光，波长更长的1550nm激光的绕行能力好那么一点，对空气中的尘埃颗粒有一定克制作用。远离了可见光范围，其激光器的功率也能做的更大一些，探测距离也相对更长，可达到500m。1550nm激光雷达是一个大的趋势，不过磷化铟激光器和砷化镓APD也比硅激光器更贵些，不过这并不是什么大问题。

水对于1550nm激光的吸收作用非常强，对人眼伤害小也是因为在到达视网膜前被眼球中的水分吸收了。因此雨天里1550nm的激光雷达受影响较大。

2.4 激光接收器件原理

光电二极管

那么问题又来了：激光又应该如何感知呢？前面提到Radar的接收器利用了天线的互逆性质，将电磁波转化为同频率的交变电流信号。然而，该方法对激光是无法实现的。我们需要新的方法转换激光信息：光电效应。

在高于某特定频率的电磁波（该频率称为极限频率Threshold frequency）照射下，某些物质内部的电子吸收能量后逸出而形成电流，即光生电。

光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释由爱因斯坦提出，闭环了属于是，爱因斯坦也因此于1922年获得诺贝尔奖。

光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。

其响应度可以定义为给定波长下，产生的光电流 I 和入射光功率 P 之比： R(λ)=IPDP （26）对入射功率的线性响应，可以为后续的AMCW测距提供良好保障。

具体到激光雷达，一般采用的器件是雪崩光电二极管（APD）、单光子雪崩二极管（SPAD）、硅光电倍增管（SiPM），器件具体的原理参考WIKIPEDIA，本文不做详细阐述。

激光的混频与干涉

光电二极管能够探测到的信息有：激光的有/ 无，强/ 弱。如需测量激光的频率和相位等信息，则需要激光干涉仪以或者光谱仪。这在激光雷达上是不现实的。因此，实际上FMCW激光雷达会采用间接测量的方式，通过入射-接收激光混频的方式的到频率、相位信息。

车用激光雷达需求

在自动驾驶行业，车载激光雷达的应用场景主要是自动驾驶开发验证、Robotaxi、高精地图采集、以及量产车型的感知模块。其中，尤以量产项目能够带来大量的订单，为厂商创造大量利润。而量产车型的激光雷达，其要求同样也是最为苛刻的：汽车作为“用户”，到底想要什么样的激光雷达：

要求	说明
成本可控	作为汽车的零部件，其成本不能太高，至少控制在几百美元内；
体积小	体积不能太大，便于在车身上的布置；
测量距离可达200m以上	自动驾驶合理的探测范围需求；
精度可达厘米级	同上；
测量响应快，时间短	只有单点探测速度足够快，才能形成足够密的点云
对人眼安全（硬性）	法规硬性要求，激光能量不能过高，否则对人眼产生伤害；
满足车规级要求（硬性）	满足车规级的13000小时的工作寿命需求，以及-40-85°C的工作温度要求，需要可靠性极高；

可见，激光雷达需求的维度是比较高的，事实上同时达成这些需求也非常困难。但只有带着这些需求，去讨论现有的LiDAR的方案，这样才不会迷失在“罗列各种方案的性能参数和优缺点”的陷阱中。

激光雷达的测距方案

激光雷达的方案分为两种：“测距方案”与“扫描方案”，两者有一定的关联性，但却是不同的概念，不能混淆。因此分开讨论。

4.1 TOF测距法：时间测量

飞行时间（Time of Flight，TOF）的原理与前面讲到的脉冲式雷达测距方法一样，激光发射脉冲后，部分光线原路返回，并被接收器收到，通过计算发射到接收的时间差 τ 即可获得目标距离：R=c⋅τ/2对于上面的7项需求，基本能够满足。难点在于，需要实现ps级别（ 1ps=10−12s ）的精准时间测量电路，以及脉宽极窄的激光发射电路（ns级别）。这限制了TOF测距的精度，目前只能达到厘米级，但对于自动驾驶而言，已经足够了。

因此，当前几乎所有的自动驾驶激光雷达落地产品都使用脉冲法TOF测距。

4.2 三角测距：Camera传感

激光发射器发射激光，打在物体上的反射光被CMOS或CCD传感器捕获，传感器可以是线阵相机or面阵相机。采集到的光斑图像，可以利用灰度质心法可求得sub-pixel级别的分辨力。（双目视觉其实也可归结为是三角测距）

那么以斜射式为例，由三角形的相似性质： qf=sx ，又有 sinβ=qd

可得测量距离：d=sfxsinβ （24）

三角测距优点：

1）近距离下的探测精度很高

2）CCD传感器的成本要比TOF的雪崩光电二极管（APD）、硅光电倍增管（SiPM）要低很多，是最便宜的激光测距方案。

但其缺点也很明显：

三角测距分辨率Δd=d1−d2=Δx⋅sfx2sinβ=Δx⋅d2sinβsf （25）。显然，随着距离d的增加，测距的分辨率成二次指数形式迅速恶化。而且，由于采用了图像传感器，在阳光正射的情况下，反射光斑会淹没在太阳光里，导致失效。

鉴于其特点，三角测距在室内近距离测距场景下比较常用，比如扫地机器人。在自动驾驶领域基本被弃用。

4.3 AMCW测距：相位测量（iToF）

AMCW即连续波强度调制（Amplitude modulated continuous wawe）。通过调整激光器的输入功率（电流），调整发射光强度，从而对发射激光的振幅进行周期性的调制。通过求解发射波与接受波之间的相位差来反推ToF，因此这种方案也被称为iToF（indirect ToF）。注意：该“相位”指的是周期性调整激光振幅的相位，也就是控制激光的交变电流的相位，而非激光本身的相位。

其距离估计为：d=ϕ2πT⋅c （25）

由于测量振幅相位比直接测量ToF更加容易，AMCW测距方式精度更高，主流的激光测距仪，其原理就是AMCW测距。显然，根据傅里叶变换原理，对激光振幅相位的采集需要一定的采样时间，其测距速度相较ToF会慢一个数量级。若用机械扫描的方式，其帧率会极慢。

恰好，AMCW测距比较方便实现固态Flash LiDAR，（为什么适合后面会讲到）。但问题又来了，AMCW由于发射连续光波。其功率很大，对人眼存在很大的安全隐患，较难通过车规认证。

其实，深度相机同样广泛采用AMCW测距，其将近红外（NIR）频谱中的调制光投射到场景中，并记录光线的返回时间，生成一组深度图。

4.4 FMCW测距法

厂商：Aeva、Mobileye & Intel、Blackmore、光勺、洛微等

激光FMCW的测距原理同第二章FMCW Radar的测距原理完全相同，在此不做叙述。

其优点在于：

FMCW的精度可以达到毫米级；
‍
利用多普勒效应可以解算目标的速度信息；
FMCW信噪比极高，具有极强的抗干扰能力；
平均功率很小（比现行ToF更小），对人眼安全；
探测距离远，可达600m；
易与光学相控阵OPA结合，实现纯固态激光雷达（后面会叙述）

其缺点在于：

对激光的线性调频、光学混频技术比毫米波困难许多，即便研发完成，也是成本最高的方案。
FMCW的单次测距需要20us，点云形成速率为：50000point/ s，点云密度先天不足（方案硬伤）。相比之下，TOF仅需要不到2us即可完成测量。

4.5 测距方案的讨论

汇总四种测距方法的特性，结果很明显，当前能通过市场考验的也只有TOF。三角测距、FMCW都存在硬伤，未来很难有大的发展。而FMCW具有很大的潜力，是当前的业界的热点。

方法	成本	速度	量程	寿命	安全	精度	体积	备注
TOF	✔中	✔最快	✔较大	✔	✔	✔中等	✔	当前主流方案
三角	✔最低	✔最快	❌最小	✔	✔	❌差	✔	远处精度太差
AMCW	✔较低	❌较慢	✔较大	✔	❌	✔高	✔	很难满足安全
FMCW	❌最高	❌较慢	✔最大	✔	✔最好	✔高	✔	未来方向之一

激光雷达的扫描形式

测距方案都是针对单点的检测，只有配合扫描方法，才能实现大视角范围内的探测。LiDAR的扫描形式可以分为机械，混合固态，纯固态三种。其中：

机械：由机械旋转机构驱动激光收发器件进行旋转，从而完成对FOV的测量；
混合固态：激光收发器件静止，通过转镜、棱镜、MEMS振镜的运动改变激光反射角度，完成对FOV扫描；
纯固态：利用相控阵技术使激光发射方向改变完成扫描，或利用Flash技术直接探测；

再次提醒：扫描方式和测距方法完全是两种分类依据，不能混为一谈。下面也会给出每种扫描形式可配合使用的测距方法。

5.1 机械扫描：一维转台

常用测距方法：TOF

代表厂商：Velodyne、Ouster、Waymo、禾赛、速腾聚创、镭神智能、北科天绘

以Velodyne 64线激光雷达为例，其将64个激光器垂直堆叠在一起。然后使其连续旋转，完成360°的环境测量。旋转机构在机械学上可称为：“转台”。

优点

1. 转速稳定，扫描线性，视角360°；
2. 当前所有Lidar中，精度最高、点云最稠密（128线，双回波可达691万点/秒）；

缺点

1. 包含多套收发模块，成本极高；动辄数十万；

机械转台需要满足：较小的重量、体积、极高的角精度、可承受20Hz的高速旋转。这对于机械设计和加工、伺服电机的运动控制都有着极大的挑战。这导致了：

2. 体积大，重量大，可靠性差，平均失效时间只有1000-3000小时，需要频繁的维护保养，难以达到车规级最低13000小时的要求。
3. 内含较多可动部件，在行车环境下磨损严重、需要大量人工组装调教，规模化量产困难

因此，在自动驾驶研发、高精地图建图的过程中，对成本不敏感的采集车还是会采用性能最高的传统机械式雷达，但将其落地到量产车型就完全不现实。随着其他种类雷达的性能提升，该种雷达会逐渐式微。

5.2 半固态1：转镜式

常用测距方法：TOF

供应商：华为、速腾聚创、Luminar、大疆Livox、禾赛（几乎所有厂商都有）

该种激光雷达的激光器固定不动，利用一面可以转动的镜子反射激光，从而实现在空间的扫描。其极大的缩小了机械式的体积。转镜的控制灵活度也要比伺服转台高很多。转镜又可以分为一维转镜、二维转镜、多面转镜、以及双棱镜等多种细分路线

5.2.1 一维转镜

顾名思义，一维转镜只能在一个维度实现旋转，如果需要实现面扫描就需要并排放置多个激光器，这和纯机械式雷达有点像。不过，车规级转镜雷达要实现较小的体积，则需要芯片化的VCSEL激光器。

案例：2022.06.21上市的理想L9搭载的禾赛AT128就是一维转镜雷达（这应该也是截至2022的第一款量产一维转镜雷达）。其VSCEL激光器也是苹果同家供应商Lumentum生产。禾赛采用了三镜面的方案，200rpm的低转速即可实现10Hz的扫描速度。其153万/秒的点频也是当前最强的半固态雷达。

优点	1. 旋转自由度少，控制更简单，系统的精度、刚性更好；
缺点	1. 多个激光器硬件成本更高，制造良品率低，且只有905nm的硅激光器能在芯片上实现VCSEL工艺，而磷化铟1550nm激光器目前无法实现； 2. 受限于功率，VCSEL探测距离相对受限；

5.2.2 二维转镜

对应的，二维转镜可以利用单个激光器就完成对FOV的扫描：

优点	1. 这样做自然成本会低不少， 2. 控制灵活，可以对ROI进行增稠扫描； 3. 单激光头可以用光纤激光器，比VSCEL功率大，可探测距离远；
缺点	1. 2维转镜复杂度高，刚性相对差，控制麻烦； 2. 出点数量极限比较低；

5.2.3 Livox双棱镜

大疆Livox的方案比较与众不同，其采用了激光通信领域的旋转双棱镜方案。电机带动双棱镜高速旋转。激光在通过第一个楔形棱镜后发生第一次偏转，通过第二个楔形棱镜后发生第二次偏转，控制两面棱镜的相对转速便可以控制激光的扫描形态。产生不同角度的折射光线，从而实现对FOV的扫描。

优点	1. 和上述二维转镜差不多；
缺点	1. 点云中心稠密，边缘稀疏； 2. 每次扫描成像的范围不一样，车辆高速移动中成像不连续； 3. 原理导致电机转速过高，6000rpm，影响寿命。也因此，此款Lidar市场化情况不理想，只有小鹏P5安装了一些，Livox应该也在开发新的方案

2022市场化情况（目前可能有点过时，凑合看吧）

2021-2022年，是转镜式半固态激光雷达的大年，将会有大批车型搭载上市，这也是激光雷达的首次大规模的商用化落地。可预测，这会给汽车的辅助驾驶功能带来极大的提升。

	华为	Luminar-Iris	Livox-HAP 市场反馈不好	Innovusion-Falcon	禾赛AT128 2022最强转镜雷达
激光光源	905nm	1550nm	905nm	1550nm	905nm
扫描方式	转镜	双轴转镜	双棱镜（特殊）	双轴转镜	单轴转镜
激光器数量	？	？	6	8	128VCSEL激光器
探测距离	150m@10%NIST	250m@10%NIST	150m@10%NIST	250m@10%NIST	200m@10%NIST
精度	cm				2cm
视场角	120°x25°	120°x30°	120°x25°	120°x25°	120°x25.4°
角分辨率VH	0.25°x0.26°	0.06°x0.06°	0.18°x0.23°	0.05°x0.05°	0.1°x0.2°
帧率	？	？	20Hz	？	10Hz
线数	等效96线	等效300线	等效144线	等效300线	真128
出点数/s			45万	80-100万	153万
价格				$1000(10万台)
搭载车型	极狐阿尔法	R汽车ES33	小鹏P5	蔚来ET7	理想L9、集度、高合

2021-2022转镜激光雷达量产项目

5.3 半固态2：MEMS激光雷达

MEMS激光雷达是近年可以落地的第二个方案。其方案核心是：利用MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）技术，将“微振镜”、与传感控制电路集成在一个硅半导体芯片上。极大的缩小体积与成本。

扫描机构的柔性形变

似乎芯片上并没有旋转机构，这个反射镜是如何旋转的？实际上，转镜边缘细细的连接悬臂就是实现旋转的机构，在机械学上被称为：柔性铰链(Flexible Joint)。利用材料的弹性形变，能够在比较小的范围内输出非常精密的位移、旋转。同时还可以对驱动源的运动进行偏转、放大。

相比传统的机械结构，其优点是：响应速度极快、分辨率极高，可轻松输出纳米级分辨率的运动。

但这种扫描机构需要克服的缺点有以下几个：

1）其运动输出有较强的非线性；

2）存在耦合运动（比如X轴的位移，会引起Y轴的位移）；

3）可实现的偏转角度有限，形变过度则不可回复；

4）微机械结构过分脆弱，在恶劣工况下寿命有限；

所谓“振镜”，意味着其工作在谐振频率下，这时候还需要注意其输入功率不能过大，否则会因谐振而对器件产生损伤。

精密驱动技术

如此精密的机械结构，如何驱动？显然传统的伺服电机是不可能的，需要采用微驱动方法：比如静电驱动（ES），电磁驱动（EM），电热驱动（ET）以及压电驱动（PE）四种。

以笔者熟悉的压电陶瓷（Piezoelectric Ceramics, PZT）为例：回想一下打火机，大拇指按下去就有电流打出，这就是所谓“压电效应”；反之，给压电陶瓷两端通电之后，也会产生一个位移。这个位移的总行程不过几百微米，而分辨率则可以达到纳米级。

而压电驱动器同样存在令人恼火的非线性。以压电陶瓷为例，其运动输出不会随电压升高而线性变化。而是具有“迟滞”和“蠕变”的特性。“迟滞”的意思是：其升压曲线和降压曲线存在明显差异，甚至电压变化速率不同时候，升压曲线还会不一样。而“蠕变”的意思是，压电陶瓷的位移还会随着时间的变化而缓慢变化，即使其两端电压并没有改变。另外，外界温度、湿度、磁场、机械振动都会改变其输出特性。

需求：精密闭环控制

除了PZT之外，其他的微驱动方式的输出非线性问题也比较严重。到微观层面，机械系统的漂移也成为一个影响运动精度的重要因素。所谓“漂移”，指的是物体会随着时间推移产生微米级的运动漂移。这在宏观的机械系统上不算什么，但在微机电系统则是必须要消除的因素。

如此一来，微动系统需要 “高实时性” “高精度” 的精密闭环控制，对于当前的技术手段倒也不难实现。因此，MEMS LiDAR的商用被推上日程。

优缺点

优点

1. 将反射激光地“镜子”也集成在了芯片中，摆脱了宏观的机械运动装置，极大缩减了量产成本；

2. 减小了硬件体积；

缺点

1. 微振镜的尺寸越大，其反射面积也大（接收功率大），其可测量的范围也就越远，但相应的微振镜的旋转角度范围越小，视场角很受限；

2. 如果减小振镜尺寸，其转角范围大，视场角增大，但其反射面积变小，可测量范围不足；
3. 振镜受外界温度、振动环境影响会导致谐振频率的变化，从而导致线束紊乱、成像歪曲；
4. MEMS柔性悬臂极其脆弱，其机械强度、抗老化性能都比较一般，影响到MEMS Lidar的寿命，总体鲁棒性不如转镜方案（2022Q2结论）。

MEMS激光雷达量产项目案例（2022.06）

当前（2022年Q2）情况，MEMS激光雷达处于量产前夕，主要是速腾聚创的M1激光雷达，已经拿下多家OEM的采购定点。其性能参数与转镜雷达差不多。（小鹏也投资了速腾聚创）

	速腾聚创-M1	一径科技ML-30S 中距	一径科技ML-30S 长距	Innoviz One	Innoviz Two
价格	OEM报价4K-5K
激光光源	905nmd	1550nm	1550	905nm	905nm
激光器数量	5个
探测距离	150m@10%NIST			250m@10%NIST	300m@10%NIST
精度	5cm(1σ)
视场角	120°x25°	140°x70°		115°*25°	125°*40°
角分辨率	0.2°x0.2°	0.5°	0.1°	0.1° * 0.1°	0.07° * 0.05°
帧率	10-20Hz			5-20
分辨率	等效125线（600x 125）	等效160线
出点数	75万/s
价格	$1898，大规模$500
搭载车型	小鹏G9 上汽、广汽、北汽、威马、Lutos	无OEM定点元戎robotaxi	无OEM定点元戎robotaxi	宝马inext	研发中

等效线数的解释：

“等效XXX线”是常见于MEMS激光雷达和二维转镜激光雷达的一种宣传。比如我们会看到“等效300线”的宣传，这会给人一种：“比几十万的128线机械雷达线数更多” 的感觉。实际上这种说法是厂家耍的一点小聪明。

MEMS激光雷达和二维转镜激光雷达往往只有一个或者几个激光器，然后搭配二维扫描机构实现对FOV的扫描，这就相当于 “用XXX线的机械式/ 一维转镜式激光雷达扫描出来的效果一样”。

但是，受限于转镜或MEMS振镜的工作频率——实际上，目前（2022.Q2）MEMS和二维转镜式整体的点云密度/出点速度，仍然是不如高指标的传统机械雷达以及一维转镜雷达的。例如，禾赛Pandars128机械雷达在单回波模式下每秒出点345万，禾赛AT128一维转镜雷达单回波每秒出点153万。而二维转镜和MEMS的LiDAR，出点速度过百万的产品也不多。

5.4 固态激光雷达1：光学相控阵OPA——类似雷达的原理

配合测距方法：TOF，FMCW（更合适）

代表厂商：Quanergy（已倒闭），截至2022Q2，国内厂商基本都处于预研阶段。包括力策科技，洛微科技，万集科技、国科光芯、速腾（有布局）、镭神（有布局），整体产业发展是比较缓慢。

光学相控阵（Optical Phased Array）的实现原理和毫米波相控阵的实现原理一样，都是利用波的相干性改变波的方向，不再重复叙述。其存在一些工程上的难点：

1）根据相控阵原理，要求激光的阵列单元尺寸约等于半波长，这意味着发射单元的尺寸在数百纳米，对硅光芯片的加工会比较困难。

2）Quanergy采用OPA+ToF的方案，ToF方案的瞬时功率太高，可达40-50W，硅光芯片根本扛不住如此高的功率。而降低功率又使得探测距离不足，当前只能支撑100m左右的探测。

3）同样的，在相控阵Radar研发中出现的难题，如：旁瓣效应、易受环境光干扰、信号处理算法复杂也会出现在OPA LiDAR上。

Quanergy 光学相控阵Lidar

OPA+FMCW：4D激光雷达

代表厂商：Mobileye（CES亮相）、洛微、Aeva

前面提到了激光FMCW测距，而恰恰连续调频波的瞬时功率很低，可以完美的配合OPA实现空间的扫描，实现所谓的4D激光雷达，是固态激光雷达的一个相对热门的方向。

5.5 固态激光雷达2：Flash——类似相机的原理

核心器件：VCSEL + SPAD

代表厂商：禾赛、速腾聚创等（基本都在搞）

可配合测距方法：ToF，AMCW

测距原理

如何形象的去理解Flash激光雷达的原理？想象你处在一个黑暗的环境下，手里举着一台照相机。当你想要拍摄照片时，相机的闪光灯打开，照亮了环境，当曝光结束后，闪光灯随之熄灭，环境再次归于黑暗——这是一种可见光的Flash（闪耀）。

而Flash LiDAR的原理类似，在其对应的905nm或1550nm波段，待探测的环境可以视为是一片黑暗（环境中的此波段红外线并不多），而Flash LiDAR配备了阵列式的发射光源以及接收部件，短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光，再以高度灵敏的接收器（SPAD，单光子雪崩二极管增益极高），来完成对环境周围图像的绘制，最终生成的数据包含了深度等3D数据。

现在来解释为什么其更加适合AMCW的测距方式，AMCW本质上是通过测量反射激光的强度来确定距离的，自然地，对于CMOS工艺的芯片，这种测量是很容易实现的。不过其最大的弊端就在于忽略了“不同目标有着不同的激光反射率”这一因素，使得测量准确性大打折扣，属于先天硬伤。当然，Flash LiDAR用TOF也不是不行，这意味着对于每一个“Pixel”，都需要单独的一套计时的电路。

由于结构简单，集成度极高，Flash闪光激光雷达是目前纯固态激光雷达一种主流的技术研究方向。实际上，所谓的Flash Lidar也是深度相机方案的一种。

从其工作原理，我们完全不难推断其最大的难点：Flash LiDAR相当于一台将照相机将闪光灯、感光元件都集成在了一块芯片上。要想看得清楚，这个“闪光灯”的功率就必须足够大，如果采用AMCW测距，这个“闪光”的时间还需要长一些——显然，一般的芯片根本扛不住这种功率。

因此，当前缺点是：

VCSEL器件可输出的功率密度低，导致其有效距离一般难以超过50米，一般作为补盲雷达使用；
当前可实现的车规级SPAD阵列约为1W像素（民用已有30W像素），致使其分辨率较低。

今后如何增加VCSEL输出功率，增大SPAD阵列密度，将会是Flash LiDAR需要解决的难题。

车规级的市场化

1）搭载3个Ibeo Next固态激光雷达的长城WEY摩卡车型预计在2022年量产；

2）Ouster ES2选择牺牲扫描角度（26°×12°）换取较远的探测距离（200m），预计2024年实现批量交付。

3）2022年11月，禾赛FT120 Flash激光雷大发布，主要用作车角补盲雷达；

4）速腾聚创紧随其后，在11月7日的Tech Day上，发布了自家的纯固态激光雷达产品E1；

5.6 激光雷达方案汇总

当下，转镜式和MEMS会落地，而长期来看，其只是过渡方案，固态的激光雷达肯定是一个发展的大趋势。

固态的方案中，OPA+FMCW以及Flash是两个有希望的方案。而学界和业界更为认可、更能吸引到投资的则是后者。极快的速度、极高的集成度、很低的成本、如今天的照相机一般易得，这都是人们对于Flash LiDAR的愿景。

但也必须客观看待激光雷达的发展，固态激光雷达都有着十分难以逾越的障碍，车规级硬件的研发又会面临较为严苛的工作环境以及测试。其开发周期必定是以年计。

	成本‍‍	体积‍‍‍‍	测量速度‍‍‍‍	精度	安全性	工作寿命	里程	备注
机械式	❌万美元	大	✔快	✔	✔	❌3000h	✔300m	未来逐步淘汰
转镜式	✔数百美元	✔	✔	✔	✔	✔中	✔中	当前的落地方案
MEMS	✔数百美元	✔	✔快	✔	✔	✔中下	✔中	热点落地方案
OPA	❌高	✔	✔中	✔	✔	✔	✔最远	FMCW+OPA有前景
FLASH	✔远景最低	✔	✔极快	❌当前不足	✔	✔	❌当前小	前景较大

疑问：

A. TOF的精确计时原理，TDC电路如何做到ps级别的计时？

B. 激光雷达的寻峰算法是什么？

D. LIDAR输出的信息编码格式是怎样的？后续应了解TCL、ROSMSG点云格式

Backups 激光雷达厂商概况

一些激光雷达的宏观市场信息，来源于厂商网站与券商研报，可保证2022年有效，这种东西不搞投资看一眼就行，没太多意义。中国市场太卷，情况每个季度都在快速变化。

Innoviz车载激光雷达代表产品

禾赛科技车载激光雷达代表产品

速腾聚创车载激光雷达代表产品

参考资料

基础原理：
波尔的原子模型（能级结构）_百度百科 (baidu.com)
自发辐射_百度百科 (baidu.com)
受激辐射_百度百科 (baidu.com)
光电效应_百度百科 (baidu.com)
雪崩光电二极管_百度百科 (baidu.com)

LiDAR原理 & 市场情况：
深入解构车载激光雷达 (qq.com) （较深入，推荐阅读）
走进自动驾驶传感器（一）——激光雷达 - 知乎 (zhihu.com)（一般推荐）
MEMS振镜简介 - 程序员大本营 (pianshen.com)
最高百亿市值！深度分析五大LiDAR公司，车载激光雷达将走向何方？ - 知乎 (zhihu.com)
中信建投-电子行业分析-激光雷达：市场处于爆发前夕，上游元器件有望优先受益-220110.pdf

LiDAR厂商：
AT128 - 禾赛科技 (hesaitech.com)
览沃激光雷达 - Livox 览沃科技 (livoxtech.com)
速腾聚创 - RoboSense(速腾聚创) - 自动驾驶激光雷达

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