激光雷达Lidar底层原理技术详解

  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，当然所有的环节上同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方面出发，过多关注企业的经营状况和投资意见。而作为无人驾驶的技术有关人员，追踪厂家的产销情况是没多少意义的，这一些信息总会跟着时间流逝而一直在变化。我们只必须了解到当前激光雷达工作的最基本的原理：

  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。

  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，人类目前并没能力制造数百THz的交变电流由此产生电磁波，此时就需要借助原子来产生光波。

  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，我们叫做自发辐射（spontaneous emission）。

  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。这样一个时间段，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。

  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。

  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。

  在无人驾驶行业，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：

  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。

  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 就可以获得目标距离：R=c⋅τ/2对于上面的7项需求，基本能够很好的满足。难点在于，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，但对于无人驾驶而言，已经足够了。

  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，传感器能是线阵相机or面阵相机。采集到的光斑图像，可通过灰度质心法可求得sub-pixel级别的分辨力。（双目视觉其实也可归结为是三角测距）

  三角测距分辨率 Δ d = d 1 − d 2 = Δ x ⋅ s f x 2 s i n β = Δ x ⋅ d 2 s i n β s f （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。

  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。

  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。

  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的扫描形式可大致分为机械，混合固态，纯固态三种。其中：

  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的非常快速地旋转。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。

  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，以此来实现在空间的扫描。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。转镜又可大致分为一维转镜、二维转镜、多面转镜、以及双棱镜等多种细分路线 一维转镜

  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的低转速就可以实现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。

  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；

  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。电机带动双棱镜非常快速地旋转。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能控制激光的扫描形态。产生不同角度的折射光线，以此来实现对FOV的扫描。

  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。

  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很明显差异，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跟着时间的变化而缓慢变化，即使其两端电压并没改变。另外，外界温度、湿度、磁场、机械振动都会改变其输出特性。

  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，因此导致线. 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）。

  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。

  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，这在某种程度上预示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。

  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。

  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为适合AMCW的测距方式，AMCW本质上是经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“不同目标有不一样的激光反射率”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，这在某种程度上预示着对于每一个“Pixel”，都需要单独的一套计时的电路。由于结构相对比较简单，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探讨研究方向。实际上，所谓的Flash Lidar也是深度相机方案的一种。

  Flash LiDAR工作原理（左：结构光模式）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”的功率就必须充足大，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。

  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；

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

  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；

  当下，转镜式和MEMS会落地，而长久来看，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，这都是人类对于Flash LiDAR的愿景。

  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

  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。

  走进无人驾驶传感器（一）——激光雷达 - 知乎 (zhihu.com)（一般推荐）

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