浅析激光雷达的工作原理、技术特点及主要厂商

随着自动驾驶行业的发展，越来越多的企业参与其中，相关传感器的生产商加大投入研发，提供更符合市场需求的产品。激光雷达，正是自动驾驶中至关重要的传感器，从一开始的单线发展到了128线，扫描方式也不再局限于机械式扫描，其体积也变得越来越小...... 

工作原理

激光雷达（LiDAR）是一种用于精确获得三维位置信息的传感器，好比人类的眼睛，可以确定物体的位置、大小、外部形貌甚至材质。它由发射系统、接收系统 、信息处理三部分组成。

其工作原理是向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对目标进行探测、跟踪和识别。

技术特点

传统的雷达是微波和毫米波波段的电磁波为载波的雷达。激光雷达则是以激光作为载波，可以用振幅、频率和相位来搭载信息，作为载体。因此，激光雷达有优于微波及毫米波的一些特点。

1、具有极高的分辨率

激光雷达工作于光学波段，频率比微波高2～3个数量级以上，因此，与微波雷达相比，激光雷达具有极高的距离分辨率、角分辨率和速度分辨率；

2、抗干扰能力强

激光波长短，可发射发散角非常小的激光束，多路径效应小（不会形成定向发射，与微波或者毫米波产生多路径效应），可探测低空或超低空目标；

3、获取的信息量丰富

可直接获取目标的距离、角度、反射强度、速度等信息，生成目标多维度图像；

4、不受光线影响

不受光线影响，激光扫描仪可全天候进行侦测任务。它只需发射自己的激光束，通过探测发射激光束的回波信号来获取目标信息。

具体类别

目前，激光雷达的种类很多，大致有七种分类方式。

按激光波段分

有紫外激光雷达、可见激光雷达和红外激光雷达。

按激光介质分

有气体激光雷达、固体激光雷达、半导体激光雷达和二极管激光泵浦固体激光雷达等。

按激光发射波形分

有脉冲激光雷达、连续波激光雷达和混合型激光雷达等。

按显示方式分

有模拟或数字显示激光雷达和成像激光雷达。

按运载平台分

有地基固定式激光雷达、车载激光雷达、机载激光雷达、船载激光雷达、星载激光雷达、弹载激光雷达和手持式激光雷达等。

按功能分

有激光测距雷达、激光测速雷达、激光测角雷达和跟踪雷达、激光成像雷达，激光目标指示器和生物激光雷达等。

按用途分

有激光测距仪、靶场激光雷达、火控激光雷达、跟踪识别激光雷达、多功能战术激光雷达、侦毒激光雷达、导航激光雷达、气象激光雷达、侦毒和大气监测激光雷达等。

主要厂商

自动驾驶行业愈加火热，作为其中必不可少的传感器，激光雷达成为兵家必争之地，有Velodyne的“高线束激光雷达”量产，Quanergy“全固态激光雷达”成功研发，以及速腾聚创等众多后起之秀们不断加入。

1、Velodyne

总部：美国

在激光雷达领域，Velodyne可谓是“一哥”级。它成立于1983年，2005年开始研发激光雷达，并于同年推出了第一款激光雷达传感器。2007年，Velodyne用一款 64 线激光雷达进入360°高性能激光雷达领域，同时对外出售第一款激光雷达产品，拉开Velodyne布局激光雷达的大幕。

谷歌在其最早的自动驾驶原型汽车中，所使用的LiDAR传感器就是由Velodyne开发的，其产品的测量精度在全行业领域内处于标杆地位，性能优越。Velodyne的3D激光雷达产品种类丰富，包括16线束、32线束及64线束等，其中还有专门为智能驾驶汽车设计的Ultra Puck激光雷达。

2016年8月，已经剥离于Velodyne主体的激光雷达公司Velodyne LiDAR获得由福特汽车与百度总金额为1.5亿美元联合投资。未来，Velodyne LiDAR将量产最新款3D激光雷达传感器以满足居高不下的全球用户需求。

ULTRA Puck VLP-32C

代表产品：

ULTRA Puck VLP-32C

ULTRA Puck VLP-32C是Velodyne最新推出的长距离LiDAR传感器，它仍然属于目前Velodyne主要研发的高清实时3D LIDAR，结合了同类最佳的性能和小巧的外形。

特点：

其具有双重回报；高达200米的范围；每秒高达约120万点；+ 15°至-25°垂直视场；360°水平视场；低功耗等特点。

综合评价：

Velodyne 激光雷达项目目前已经和25个不同的无人驾驶汽车项目达成了合作协议。几乎所有涉及的OEM主机厂和Tier 1供应商都在使用Velodyne的激光雷达产品。但是，Velodyne采用的机械旋转扫描方案有结构过复杂、成本过高、良品率低、模块生产难度大、体积大等问题。

2、Quanergy

总部：美国

这家硅谷新锐成立于2012年年底，研制出全球第一款固态激光雷达。这款产品S3在CES 2016上首次亮相，尺寸与Velodyne产品差不多。不同的是，Quanergy取消了昂贵的机械旋转形式，量产成本250美金（谷歌所用的激光雷达为8万美元）。

Quanergy固态激光雷达的关键技术“相控阵激光雷达技术”，正是创始人罗伊·艾尔达达（Louay Eldada）在哥伦比亚大学的博士研究课题。而另一位创始人于天越来自中国，曾是光伏企业Nanosolar的首席科学家。

目前，与Quanergy合作的企业有：谷歌、苹果、IBM、博世、奥迪、福特、戴姆勒等。

M8

代表产品：

M8

它是一款具有成本效益的长距离LiDAR传感器，能够在动态情况下无处不在地使用智能传感。

特点：

M8传感器可在任何天气下使用，凭借360°视野，每秒420,000点，长测量范围，高精度和高分辨率。其采用了Multi-LiDAR Fusion，这是Quanergy专有的智能技术。

综合评价：

与机械传感器相比，Quanergy主打的固态激光雷达更小，更便宜。但是这一技术对于相关组件的尺寸要求很大，如何制造出如此大规模的器件，同时使它们能够有效地运作成为一个系统，将是需要解决的最大问题。

3、Innoviz

总部：以色列

Innoviz成立于2016年初，是一个专注于雷达传感器的初创公司，致力于量产级固态雷达传感器研发，并为其硬件开发配套辅助产品。该公司的创始人和主要技术均来自以色列国防军。

InnovizOne

代表产品：

InnovizOne

2017年，Innoviz发布了其旗舰级汽车LiDAR器件InnovizOne，一款成本经济、设计紧凑的固态LiDAR传感器，能够提供高清晰度3D扫描。

特点：

其具有高分辨率、长距离检测、适应不同阳光和天气、低成本等特点。

综合评价：

Innoviz虽然成立不到3年时间，但是Innoviz已经与麦格纳和安波福建立了战略合作伙伴关系，也可谓是后起之秀。

4、LeddarTech

总部：加拿大

LeddarTech于2007年在加拿大魁北克市成立，剥离自加拿大国家光学研究所，是全球唯一一家基于专利、前沿技术的高级探测与测距系统供应商。

它主要为OEM主机厂、Tier 1供应商、零部件&子系统供应商、系统集成商提供LeddarCore IC传感器技术，用于开发ADAS/AD解决方案中的激光雷达。2016年，LeddarTech对外公布了针对无人驾驶汽车的固态激光雷达IC路线图。

Leddar M16

代表产品：

Leddar M16

其是16段固态LiDAR传感器模块，可同时为多个物体提供快速、连续、精准的检测和测距，并具有出色的横向辨别能力。

特点：

它的探测范围高达146米；有各种光束选项，用于优化视野；快速数据采集速率高达100 Hz；免受环境光变化的影响；出色的坚固性，无移动部件等。

综合评价：

除了自动驾驶汽车，LeddarTech的激光雷达还可用在无人机和工业自动化领域。

5、北科天绘

总部：北京

北科天绘成立于2005年，从2014年调查自动驾驶及机器人用激光雷达的市场潜力，2015年开始启动导航型LiDAR技术及产品研发。

2016年5月发布16线360度导航LiDAR——R-Fans，R-Fans为16通道产品，俯仰视场为30度，测量距离1-100米，扫描仪总重800克。

A-Pilot机载激光雷达

代表产品：

A-Pilot

除了适用于汽车的激光雷达，北科天绘研制出A-Pilot机载激光雷达，是为了适应我国多山地貌研制的航空测绘装备，可搭载于无人机、固定翼，动力三角翼等多种飞行平台上。

特点：

其具有测程远；外设配套齐全；测量精度高；设备轻巧（AP-0300<4kg）；数据采集频率高，每秒600,000个点；覆盖航带宽度大，可扫描视场角70°等特点。

综合评价：

目前，北科天绘已能避免同一辆汽车上的多台激光雷达之间的串扰这一问题。装在不同汽车上、由不同厂家生产的激光雷达之间相互串扰，仍是北科天绘需要攻克的问题。

6、速腾聚创

总部：深圳

速腾聚创在2016年10月，推出了国内首个应用于无人驾驶汽车的16线混合固态激光雷达RS-LiDAR，测距100米，精度达到了2cm，垂直30度（±15度），实时出点数32万点每秒。并进行了初期的路测，这也是国产激光雷达首次进行公开展示和测试。

本月，速腾聚创完成了总额超过3亿元的战略融资，据悉，这是全国激光雷达企业阵营中最大的一次单轮融资。

RS-LiDAR-32

代表产品：

RS-LiDAR-32

RS-LiDAR-32是速腾聚创（RoboSense）量产的32线混合固态激光雷达系列产品。

特点：

RS-LiDAR-32是基于车厂需求定制研发，专为满足高速自动驾驶需求而设计的小型激光雷达，采用了中间密两边疏的激光头布局设计，垂直测角40°，最小垂直角分辨率为 0.33°，让32线取得比64线拥有更优的探测效果，更加专注于车辆行驶区域的点云数据采集。

综合评价：

解决了成本问题、性能难关，速腾聚创可能将会是下一个大疆。

7、思岚科技

总部：上海

思岚科技成立于2013年10月，前身为业内具有较高知名度的PoboPeak团队。他们主要产品是模块化自主定位导航解决方案、低成本2D激光雷达和通用机器人移动平台。

RPLIDAR A3

代表产品：

RPLIDAR A3

思岚科技推出的第三款激光雷达，可完成360度全方位扫描，只有4cm的超薄外观。

特点：

具有测量半径25m；每秒16000次 ；室内外均可使用等特点。

综合评价：

光干扰可靠性一直是激光雷达出品的很重要品质把控因素。经过这几年的努力，RPLIDAR A3已经具有相对优异的环境光抗击能力。当然，思岚科技雷达产品的性能提升仍然有待提升。

8、禾赛科技

总部：上海

禾赛科技于2013年成立于美国硅谷圣何塞，2014年落户上海。主营业务为自动驾驶激光雷达，激光天然气遥测系统等。

禾赛Pandar40

代表产品：

禾赛Pandar40

去年，禾赛发布了用于自动驾驶的40线混合固态激光雷达Pandar40，改变了自动驾驶激光雷达行业被国际巨头垄断而且需要半年以上交货周期的现状。

特点：

150米距离、厘米级精度、高角分辨率（等效83线）、小体积。

综合评价：

禾赛科技积累了多年开发激光遥测传感器的经验，它的产品显著低于国外竞品的售价及交货周期。

应用领域

激光雷达不仅可以单独使用，也能够同微波雷达，可见光电视、红外电视或微光电视等成像设备组合使用，使得系统既能搜索到远距离目标，又能实现对目标的精密跟踪。除了大众所熟知的自动驾驶，激光雷达在很多领域也发挥着必不可少的作用。

1、城市三维建筑模型

“数字城市”是数字地球技术系统的重要组成部分，而表达城市主要物体的三维模型包括三维地形，三维建筑模型、三维管线模型。这些三维建筑模型是数字城市重要的基础信息之一。

激光雷达技术可以快速完成三维空间数据采集，经过处理便可得到具有坐标信息的影像数据。

2、大气环境监测

激光雷达由于探测波长短、波束定向性强，能量密度高，因此具有高空间分辨率、高的探测灵敏度、能分辨被探测物种和不存在探测盲区等优点，已经成为目前对大气进行高精度遥感探测的有效手段。利用激光雷达可以探测气溶胶、云粒子的分布、大气成分和风场的垂直廓线，对主要污染源可以进行有效监控。

3、自动泊车技术

自动泊车系统一般在汽车前后四周安装感应器，这些感应器既可以充当发送器，也可以充当接收器。它们会发送激光信号，当信号碰到车身周边的障碍物时会反射回来。然后，车载计算机会利用其接收信号所需时间确定障碍物的位置。

4、智能交通信号控制

在城市重要交通路口信号控制系统中集成一个地面三维激光扫描系统，通过激光扫描仪对一定距离的道路进行连续扫描，获得这段道路上实时、动态的车流量点云数据，再进行数据处理获得车流量等参数，根据对东西向和南北向车流量大小的比较以及短暂车流量预测，从而自动调节东西向和南北向信号灯周期。

结语

对于激光雷达，成本问题是其面临的首要问题，也因此一些企业望而却步。其次，技术需要不断完善。不过，由上文提及的各大企业产品可以看出，小型化、固态化、低成本化是激光雷达的大势所趋。