激光雷达LIDAR基本工作原理

 

一、激光雷达LiDAR工作原理

激光雷达LiDAR的全称为Light Detection and Ranging激光探测和测距，又称光学雷达。

激光雷达的工作原理：对人畜无害的红外光束Light Pluses发射、反射和接收来探测物体。能探测的对象：白天或黑夜下的特定物体与车之间的距离。甚至由于反射度的不同，车道线和路面也是可以区分开来的。哪些物体无法探测：光束无法探测到被遮挡的物体。

车用激光雷达工作原理就是蝙蝠测距用的回波时间（Time of Flight，缩写为TOF）测量方法。分析目标物体表面的反射能量大小、反射波谱的幅度、频率和相位等信息，输出点云，从而呈现出目标物精确的三维结构信息。

 

激光雷达测距及点云

但要知道光速是每秒30万公里。要区分目标厘米级别的精确距离，那对传输时间测量分辨率必须做到1纳秒。要如此精确的测量时间，因此对应的测量系统的成本就很难降到很低，需要使用巧妙的方法降低测量难度。

首先，我们需要明确，激光雷达并不是独立运作的，一般是由激光发射器、接收器和惯性定位导航三个主要模块组成。当激光雷达工作的时候，会对外发射激光，在遇到物体后，激光折射回来被CMOS传感器接收，从而测得本体到障碍物的距离。从原理来看，只要需要知道光速、和从发射到CMOS感知的时间就可以测出障碍物的距离，再结合实时GPS、惯性导航信息与计算激光雷达发射出去角度，系统就可以得到前方物体的坐标方位和距离信息。

 

紧接着，一个激光雷达如果能在同一个空间内，按照设定好的角度发射多条激光，就能得到多条基于障碍物的反射信号。再配合时间范围、激光的扫描角度、GPS 位置和 INS 信息，经过数据处理后，这些信息配合x，y，z坐标，就会成为具有距离信息、空间位置信息等的三维立体信号，再基于软件算法组合起来，系统就可以得到线、面、体等各种相关参数，以此建立三维点云图，绘制出环境地图，就能变成汽车的“眼睛”。

激光雷达是由激光发射单元和激光接收单元组成，发射单元的工作方式是向外发射激光束层，层数越多，精度也越高(如下图所示)，不过这也意味着传感器尺寸越大。发射单元将激光发射出去后，当激光遇到障碍物会反射，从而被接收器接收，接收器根据每束激光发射和返回的时间，创建一组点云，高质量的激光雷达，每秒最多可以发出200多束激光。

 

不同激光束形成的激光点云

对于激光的波长，目前主要使用使用波长为905nm和1550nm的激光发射器，波长为1550nm的光线不容易在人眼液体中传输。故1550nm可在保证安全的前提下大大提高发射功率。大功率能得到更远的探测距离，长波长也能提高抗干扰能力。但是1550nm激光需使用InGaAs，目前量产困难。故当前更多使用Si材质量产905nm的LiDAR。通过限制功率和脉冲时间来保证安全性。

1.1 技术原理

激光雷达探测的具体技术可以分为TOF飞行时间法与相干探测方法。其中ToF方法可以进一步区分为iToF和dToF方法；

1.1.1飞行时间（ToF）探测方法

通过直接计算发射及接收电磁波的时间差测量被测目标的距离；

1.1.2 相干探测方法（如：FMCW）

通过测量发射电磁波与返回电磁波的频率变化解调出被测目标的距离及速度；

FMCW雷达原理示意图

1.2 激光雷达的FOV

FOV指激光雷达能够探测到的视场范围，可以从垂直和水平两个维度以角度来衡量范围大小，下图比较形象的展示了激光雷达FOV范围，之所以要提到FOV是因为后面不同的技术路线基本都是为了能够实现对FOV区域内探测。

垂直FOV：常见的车载激光雷达通常在25°，形状呈扇形；

水平FOV：常见的机械式激光雷达可以达到360°范围，通常布置于车顶；常见的车载半固态激光雷达通常可以达到120°范围，形状呈扇形，可布置于车身或车顶；

 

1.3 激光雷达在L2+的性能要求

对于激光雷达在L2+的性能要求如下：

a、测距距离有要求,高速场景下至少有150米以上的探测距离

b、具有120FOV宽视角,满足十字路口等特殊场景的检测;

c、测距的精准度,满足≤3cm,角分辨率越小越好,水平和垂直≤0.3°

d、具备100线以上的扫描效果和百万级别点频,这样遇到150米以外的物体也能反射回足够多的激光点云用于识别

e、具有车规级标准的工作温度,能够规模化生产

f、体积一定要小,方便车企的造型设计

二、激光雷达结构

激光雷达的关键部件按照信号处理的信号链包括控制硬件DSP（数字信号处理器）、激光驱动、激光发射发光二极管、发射光学镜头、接收光学镜头、APD（雪崩光学二极管）、TIA（可变跨导放大器）和探测器，如下图所示。其中除了发射和接收光学镜头外，都是电子部件。随着半导体技术的快速演进，性能逐步提升的同时成本迅速降低。但是光学组件和旋转机械则占具了激光雷达的大部分成本。

激光雷达的关键部件

三、激光雷达的种类

把激光雷达按照扫描方式来分类，目前有机械式激光雷达、半固态激光雷达和固态激光雷达三大类。其中机械式激光雷达最为常用，固态激光雷达为未来业界大力发展方向，半固态激光雷达是机械式和纯固态式的折中方案，属于目前阶段量产装车的主力军。

3.1 机械式激光雷达

3.1.1 工作原理

发射和接收模块被电机电动进行360度旋转。在竖直方向上排布多组激光线束，发射模块以一定频率发射激光线，通过不断旋转发射头实现动态扫描。

 

 

3.1.2 优劣势分析

优势：机械式激光雷达作为最早装车的产品，技术已经比较成熟，因为其是由电机控制旋转，所以可以长时间内保持转速稳定，每次扫描的速度都是线性的。并且由于『站得高』，机械式激光雷达可以对周围环境进行精度够高并且清晰稳定的360度环境重构。

劣势：虽然技术成熟，但因为其内部的激光收发模组线束多，并且需要复杂的人工调教，制造周期长，所以成本并不低，并且可靠性差，导致可量产性不高。其次，机械式激光雷达体积过大，消费者接受度不高。最后，它的寿命大约在1000h~3000h，而汽车厂商的要求是至少13000h，这也决定了其很难走向C端市场。

3.2 半固态—MEMS式激光雷达

MEMS全称Micro-Electro-Mechanical System（微机电系统），是将原本激光雷达的机械结构通过微电子技术集成到硅基芯片上。本质上而言MEMS激光雷达并没有做到完全取消机械结构，所以它是一种半固态激光雷达。

3.2.1 工作原理

MEMS在硅基芯片上集成了体积十分精巧的微振镜，其核心结构是尺寸很小的悬臂梁——通过控制微小的镜面平动和扭转往复运动，将激光管反射到不同的角度完成扫描，而激光发生器本身固定不动。

 

MEMS激光雷达微振镜模块

 

3.2.2 优劣势分析

优势：MEMS激光雷达因为摆脱了笨重的「旋转电机」和「扫描镜」等机械运动装置，去除了金属机械结构部件，同时配备的是毫米级的微振镜，这大大减少了MEMS激光雷达的尺寸，与传统的光学扫描镜相比，在光学、机械性能和功耗方面表现更为突出。其次，得益于激光收发单元的数量的减少，同时MEMS振镜整体结构所使用的硅基材料还有降价空间，因此MEMS激光雷达的整体成本有望进一步降低。

劣势：MEMS激光雷达的「微振镜」属于振动敏感性器件，同时硅基MEMS的悬臂梁结构非常脆弱，外界的振动或冲击极易直接致其断裂，车载环境很容易对其使用寿命和工作稳定性产生影响。其次，MEMS的振动角度有限导致视场角比较小（小于120度），同时受限于MEMS微振镜的镜面尺寸，传统MEMS技术的有效探测距离只有50米，FOV角度只能达到30度，多用于近距离补盲或者前向探测。

目前，由于MEMS上游供应链已经相对成熟，比如Luminar的MEMS半固态激光雷达已将制造成本降低到了500-1000美元，使规模量产成为了可能。国内方面，速腾聚创和广汽埃安、威马、极氪等11家车企建立了合作，同时其产品「RS-LiDAR-M1」已于2020年12月开始批量出货，成为全球首款批量交付的车规级MEMS激光雷达。海外方面，Luminar在全球范围内已拥有50多位行业合作伙伴，其中包括沃尔沃、上汽飞凡汽车、小马智行等。

3.2.3 微震镜不同驱动方式特点

3.3 半固态—转镜式激光雷达

转镜式激光雷达与MEMS激光雷达差异在于，前者的扫描镜是围绕着圆心旋转，后者则是围绕着某条直径上下振动。相比之下，转镜式激光雷达的功耗更低，散热难度更低，因而也更容易拥有比较高的可靠性。

3.3.1 工作原理

与MEMS微振镜平动和扭转的形式不同，转镜是反射镜面围绕圆心不断旋转，从而实现激光的扫描。在转镜方案中，也存在一面扫描镜（一维转镜）和一纵一横两面扫描镜（二维转镜）两种技术路线。一维转镜线束与激光发生器数量一致，而二维转镜可以实现等效更多的线束，在集成难度和成本控制上存在优势。

简而言之，使用转镜折射光线实现激光在FOV区域内的覆盖，通常与线光源配合使用，形成FOV面的覆盖，也可以与振镜组合使用，配合点光源形成FOV面的覆盖；

 

 

3.3.2 优劣势分析

优势：转镜式激光雷达的激光发射和接收装置是固定的，所以即使有「旋转机构」，也可以把产品体积做小，进而降低成本。并且旋转机构只有反射镜，整体重量轻，电机轴承的负荷小，系统运行起来更稳定，寿命更长，是符合车规量产的优势条件。

劣势：因为有「旋转机构」这样的机械形式的存在，便不可避免地在长期运行之后，激光雷达的稳定性、准确度会受到影响。其次，一维式的扫描线数少，扫描角度不能到360度。

从应用看，具备车规级量产实力的Tier1供货商有法雷奥（Scala）、镭神智能（CH32），Innovusion（Falcon）。2017年，奥迪A8为全球首款量产的L3级别自动驾驶的乘用车，其搭载的激光雷达便是法雷奥和Ibeo联合研发的4线旋转扫描镜激光雷达。2020年，镭神智能自主研发的CH32面世，成为全球第二款获得车规级认证的转镜式激光雷达，目前已经规模化交付东风悦享量产前装车型生产。2022年，搭载Innovusion Falcon激光雷达的蔚来ET7上市，该款激光雷达为1550nm方案，等效300线数。从售价看，法雷奥Scala 2为900欧元（约6500元人民币），已经下降至车企可接受的价格范围。

 

 

3.4 半固态-棱镜式激光雷达

无人机龙头厂商大疆孵化览沃科技（Livox）入局激光雷达，便是采用的棱镜式扫描方案，大疆利用其在无人机领域积累的电机精准调控技术及自动化产线，有信心克服棱镜轴承或衬套寿命的难题，也为其激光雷达技术构筑护城河。

 

3.4.1 工作原理

棱镜式激光雷达也称为双楔形棱镜式激光雷达，内部包括两个楔形棱镜，激光在通过第一个楔形棱镜后发生一次偏转，通过第二个楔形棱镜后再一次发生偏转。控制两面棱镜的相对转速便可以控制激光束的扫描形态。与前面提到的扫描形式不同，棱镜激光雷达累积的扫描图案形状状若菊花，而并非一行一列的点云状态。这样的好处是只要相对速度控制得当，在同一位置长时间扫描几乎可以覆盖整个区域。

 

 

棱镜式激光雷达工作示意图

 

棱镜及点云扫描示意图

 

棱镜式激光雷达工作图

3.4.2 优劣势分析

优势：首先，该设计减少了激光发射和接收的线数以实现一帧之内更高的线数，也随之降低了对焦与标定的复杂度，因此生产效率得以大幅提升，并且相比于传统机械式激光雷达，棱镜式的成本有了大幅的下降。其次，只要扫描时间够久，就能得到精度极高的点云以及环境建模，分辨率几乎没有上限，且可达到近100％的视场覆盖率。

劣势：棱镜式激光雷达FOV相对较小，且视场中心的扫描点非常密集，雷达的视场边缘扫描点比较稀疏，在雷达启动的短时间内会有分辨率过低的问题。对于高速移动的汽车来说，显然不存在长时间扫描的情况，不过可以通过增加激光线束和功率实现更高的精度和更远的探测距离，但机械结构也相对更加复杂，体积让前两者更难以控制，存在轴承或衬套的磨损等风险。

从车规级应用来看，小鹏P5配备2颗大疆Livox车规级棱镜式激光雷达，另外大疆Livox也获得了一汽解放量产项目的定点 。针对单颗棱镜式中心区域点云密集。两侧点云相对稀疏的情况，小鹏P5选择在车前部署了2颗激光雷达，前方提高至 180度的超宽点云视野，提高应对近处车辆加塞、十字路口拐弯等复杂路况的通行能力。

 

小鹏P5上搭载的大疆Livox 棱镜式激光雷达

3.5 固态-OPA激光雷达

针对车规级设备需要在连续振动、高低温、高湿高盐等环境下连续工作的特点，固态激光雷达成为了较为可行的发展方向。

3.5.1 工作原理

 

利用光的相干性质，通过人为控制相位差实现不同方向的光发射效果；

我们知道光和电磁波一样也表现出波的特性，因此同样可以利用相位差控制干涉让激光“转向”特定的角度，往复控制实现扫描效果。

 

OPA光学相控工作原理示意图

 

相干与扫描原理图示意图

3.5.2 优劣势分析

优势：OPA激光雷达发射机采用纯固态器件，没有任何需要活动的机械结构，因此在耐久度上表现更出众；虽然省去机械扫描结构，但却能做到类似机械式的全景扫描，同时在体积上可以做得更小，量产后的成本有望大大降低。

劣势：OPA激光雷达对激光调试、信号处理的运算力要求很大，同时，它还要求阵列单元尺寸必须不大于半个波长，因此每个器件尺寸仅500nm左右，对材料和工艺的要求都极为苛刻，由于技术难度高，上游产业链不成熟，导致 OPA 方案短期内难以车规级量产，目前也很少有专注开发OPA激光雷达的Tier1供应商。

应用层面，目前暂无车规级量产案例，OPA方案的代表企业为Quanergy。2021年8月，Quanergy对其OPA固达态激光雷达S3系列完成驾驶实测演示。测试结果显示，S3系列固态激光雷达可以提供超过10万小时的平均无故障时间（MTBF），在全光照下实现100米的探测性能，大规模量产后的目标价格为500美元。

3.6 固态-FLASH激光雷达

由于结构简单，Flash闪光激光雷达是目前纯固态激光雷达最主流的技术方案。但是由于短时间内发射大面积的激光，因此在探测精度和探测距离上会受到较大的影响，主要用于较低速的无人驾驶车辆，例如无人外卖车、无人物流车等，对探测距离要求较低的自动驾驶解决方案中。

3.6.1 工作原理

Flash原本的意思为快闪。而Flash激光雷达的原理也是快闪，不像MEMS或OPA的方案会去进行扫描，而是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，来完成对环境周围图像的绘制。因此，Flash固态激光雷达属于非扫描式雷达，发射面阵光，是以2维或3维图像为重点输出内容的激光雷达。某种意义上，它有些类似于黑夜中的照相机，光源由自己主动发出。

Flash激光雷达的成像原理是发射大面积激光一次照亮整个场景，然后使用多个传感器接收检测和反射光。但最大的问题是，这种工作模式需要非常高的激光功率。在体积限制下，Flash激光雷达的功率密度不能很高。因此，Flash激光雷达目前的问题是，由于功率密度的限制，无法考虑三个参数：视场角、检测距离和分辨率，即如果检测距离较远，则需要牺牲视场角或分辨率；如果需要高分辨率，则需要牺牲视场角或检测距离。

Flash激光雷达采用面光源泛光成像，其发射的光线会散布在整个视场内，因此不需要折射就可以覆盖FOV区域了，难点在于如何提升其功率密度从而提升探测精度和距离，目前通常使用VCSEL光源组成二维矩阵形成面光源；

 

亮道智能的Flash激光雷达

3.6.2 优劣势分析

优点：FLASH激光雷达最大的优势在于可以一次性实现全局成像来完成探测，且成像速度快。体积小，易安装，易融入车的整体外观设计。设计简洁，元件极少，成本低。信号处理电路简单，消耗运算资源少，整体成本低。刷新频率可高达3MHz，是传统摄像头的10万倍，实时性好，因此易过车规。

缺点：不过FLASH激光单点面积比扫描型激光单点大，因此其功率密度较低，进而影响到探测精度和探测距离（低于50米）。要改善其性能，需要使用功率更大的激光器，或更先进的激光发射阵列，让发光单元按一定模式导通点亮，以取得扫描器的效果。

Ibeo FLASH激光雷达的接收模块

为了克服探测距离的限制，FLASH激光雷达的代表厂商Ibeo、LedderTech开始在激光收发模块进行创新。车规级激光雷达鼻祖Ibeo，则一步到位推出了单光子激光雷达，Ibeo称其为Focal Plane Array焦平面，实际也可归为FlASH激光雷达。2019年8月27日，长城汽车与德国激光雷达厂商Ibeo正式签署了激光雷达技术战略合作协议，三方合作的产品基础就是ibeonEXT Generic 4D Solid State LiDAR。从长远来看，FLASH激光雷达芯片化程度高，规模化量产后大概率能拉低成本，随着技术的发展，FLASH激光雷达有望成为主流的技术方案。

对这几款激光雷达优劣势进行了汇总：

四、激光光源

由于激光器发射的光线需要投射至整个FOV平面区域内，除了面光源可以直接发射整面光线外，点光源则需要做二维扫描覆盖整个FOV区域，线光源需要做一维扫描覆盖整个FOV区域。

其中点光源根据光源发射的形式又可以分为EEL（Edge-Emitting Laser边发射激光器）和VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser垂直腔面发射激光器）两种，二者区别在于EEL激光平行于衬底表面发出（如图1），VCSEL激光垂直于衬底表面发出（如图2）。

其中VCSEL式易于进行芯片式阵列布置，通常使用此类光源进行阵列式布置形成线光源（一维阵列）或面光源（二维阵列），VCSEL光源剖面图与二维阵列光源芯片示意图如下

VCSEL剖面与二维阵列示意图

五、其它常见术语释义

测远能力: 一般指激光雷达对于10%低反射率目标物的最远探测距离。

最近测量距离：激光雷达能够输出可靠探测数据的最近距离。

测距盲区：从激光雷达外罩到最近测量距离之间的范围,这段距离内激光雷达无法获取有效的测量信号,无法对目标物信息进行反馈。

角度盲区：激光雷达视场角范围没有覆盖的区域,系统无法获取这些区域内的目标物信息。

角度分辨率：激光雷达相邻两个探测点之间的角度间隔,分为水平角度分辨率与垂直角度分辨率。相邻探测点之间角度间隔越小,对目标物的细节分辨能力越强。

测距精度：激光雷达对同一距离下的物体多次测试所得数据之间的一致程度,精度越高表示测量的随机误差越小。

测距准度：激光雷达探测得到距离数据与真值之间的差距,准度越高表示测量结果与真实数据符合程度越高。

点频：激光雷达每秒完成探测并获取的探测点的数目。

抗干扰：激光雷达对工作同一环境下、采用相同激光波段的其他激光雷达的干扰信号的抵抗能力,抗干扰能力越强说明在多台激光雷达共同工作的条件下产生的噪点率越低

功耗：激光雷达系统工作状态下所消耗的电功率。

激光雷达线数：一般指激光雷达垂直方向上的测量线的数量,对于一定的角度范围,线数越多代表角度分辨率越高,对目标物的细节分辨能力越强。

多传感器标定：将多传感器得到的各自局部空间坐标下的测量数据转换到一个统一的空间坐标系的过程。

可靠性：一般指产品可靠性,是组件、产品、系统在一定时间内、在一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性。

安全性：产品在使用、储运、销售等过程中,保障人体健康和人身、财产安全免受伤害或损失的能力或可能性,包括功能安全、网络安全、激光安全等。

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