激光雷達(dá)(LiDAR)是當(dāng)前正在改變世界的傳感器，它廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛汽車、無人機(jī)、自主機(jī)器人、衛(wèi)星、火箭等。激光通過測定傳感器發(fā)射器與目標(biāo)物體之間的傳播距離（Time of Flight,TOF）(如圖1所示)，分析目標(biāo)物體表面的反射能量大小、反射波譜的幅度、頻率和相位等信息，輸出點(diǎn)云，從而呈現(xiàn)出目標(biāo)物精確的三維結(jié)構(gòu)信息。

圖1 激光雷達(dá)測距及點(diǎn)云

激光雷達(dá)是由激光發(fā)射單元和激光接收單元組成，發(fā)射單元的工作方式是向外發(fā)射激光束層，層數(shù)越多，精度也越高(如圖2所示)，不過這也意味著傳感器尺寸越大。發(fā)射單元將激光發(fā)射出去后，當(dāng)激光遇到障礙物會反射，從而被接收器接收，接收器根據(jù)每束激光發(fā)射和返回的時(shí)間，創(chuàng)建一組點(diǎn)云，高質(zhì)量的激光雷達(dá)，每秒最多可以發(fā)出200多束激光。

圖2 不同激光束形成的激光點(diǎn)云

對于激光的波長，目前主要使用使用波長為905nm和1550nm的激光發(fā)射器，波長為1550nm的光線不容易在人眼液體中傳輸。故1550nm可在保證安全的前提下大大提高發(fā)射功率。大功率能得到更遠(yuǎn)的探測距離，長波長也能提高抗干擾能力。但是1550nm激光需使用InGaAs，目前量產(chǎn)困難。故當(dāng)前更多使用Si材質(zhì)量產(chǎn)905nm的LiDAR。通過限制功率和脈沖時(shí)間來保證安全性。

01.

激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)

激光雷達(dá)的關(guān)鍵部件按照信號處理的信號鏈包括控制硬件DSP（數(shù)字信號處理器）、激光驅(qū)動(dòng)、激光發(fā)射發(fā)光二極管、發(fā)射光學(xué)鏡頭、接收光學(xué)鏡頭、APD（雪崩光學(xué)二極管）、TIA（可變跨導(dǎo)放大器）和探測器，如圖3所示。其中除了發(fā)射和接收光學(xué)鏡頭外，都是電子部件。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速演進(jìn)，性能逐步提升的同時(shí)成本迅速降低。但是光學(xué)組件和旋轉(zhuǎn)機(jī)械則占具了激光雷達(dá)的大部分成本。

圖3 激光雷達(dá)的關(guān)鍵部件

02.

激光雷達(dá)的種類

目前市面上有不同種類的激光雷達(dá)，按驅(qū)動(dòng)方式可分為機(jī)械式、MEMS、相控陣、泛光面陣式（FLASH）。

機(jī)械式

以Velodyne 2007年推出的64線雷達(dá)為例。它把64個(gè)激光器垂直堆疊在一起，以20rpm速度旋轉(zhuǎn)。簡單理解就是通過旋轉(zhuǎn)將激光點(diǎn)變成線，通過64線堆疊將線轉(zhuǎn)化為面，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取3D環(huán)境信息。

機(jī)械式結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時(shí)點(diǎn)云的測量又需要對安裝進(jìn)行精確定位。考慮環(huán)境和老化的影響，平均的失效時(shí)間僅1000-3000小時(shí)，難以達(dá)到車廠最低13000小時(shí)的要求。且由于LiDAR安裝在車頂，民用領(lǐng)域需考慮外界養(yǎng)護(hù)的問題，如洗車的影響。因此機(jī)械式結(jié)構(gòu)極大的限制了成本和應(yīng)用推廣。

MEMS

MEMS激光雷達(dá)利用微電子機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)驅(qū)動(dòng)旋鏡，反射激光束指向不同方向。

固態(tài)激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)包括了：數(shù)據(jù)采集速度快，分辨率高，對于溫度和振動(dòng)的適應(yīng)性強(qiáng)；通過波束控制，探測點(diǎn)（點(diǎn)云）可以任意分布，例如在高速公路主要掃描前方遠(yuǎn)處，對于側(cè)面稀疏掃描但并不完全忽略，在十字路口加強(qiáng)側(cè)面掃描。而只能勻速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械式激光雷達(dá)是無法執(zhí)行這種精細(xì)操作的。

典型應(yīng)用有法雷奧SCALA激光雷達(dá)。目前應(yīng)用在奧迪A8(第一款L3級的自動(dòng)駕駛車輛)。安裝在前保險(xiǎn)杠位置，使用MEMS技術(shù)得到145°的掃描角度，80m的探測距離。

圖4 奧迪A8的激光雷達(dá)

相控陣（OPA）

光相控陣?yán)走_(dá)原理：主要利用光的干涉原理?？梢酝ㄟ^改變不同縫中入射光線的相位差即可改變光柵衍射后中央明紋（主瓣）的位置，如下圖所示。

圖5 相控陣?yán)走_(dá)的原理

相控陣（OPA）的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡單、尺寸?。河捎诓恍枰D(zhuǎn)部件，可以大大壓縮雷達(dá)的結(jié)構(gòu)和尺寸，提高使用壽命，并降低成本。

標(biāo)定簡單：機(jī)械式激光雷達(dá)由于光學(xué)結(jié)構(gòu)固定，適配不同車輛往往需要精密調(diào)節(jié)其位置和角度，固態(tài)激光雷達(dá)可以通過軟件進(jìn)行調(diào)節(jié)，大大降低了標(biāo)定的難度。

掃描速度快：不用受制于機(jī)械旋轉(zhuǎn)的速度和精度，光學(xué)相控陣的掃描速度取決于所用材料的電子學(xué)特性，一般都可以達(dá)到MHz量級。

掃描精度高：光學(xué)相控陣的掃描精度取決于控制電信號的精度，可以達(dá)到千分之一度量級以上。

可控性好：光學(xué)相控陣的光束指向完全由電信號控制，在允許的角度范圍內(nèi)可以做到任意指向，可以在重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行高密度的掃描。

多目標(biāo)監(jiān)控：一個(gè)相控陣面可以分割為多個(gè)小模塊，每個(gè)模塊分開控制即可同時(shí)鎖定監(jiān)控多個(gè)目標(biāo)。

缺點(diǎn)：

掃描角度有限：調(diào)節(jié)相位最多只能讓中央明紋改變約±60°，實(shí)際做到360°采集的話一般需要6個(gè)。

旁瓣問題：光柵衍射除了中央明紋外還會形成其他明紋，這一問題會讓激光在最大功率方向以外形成旁瓣，分散激光的能量。

加工難度高：光學(xué)相控陣要求陣列單元尺寸必須不大于半個(gè)波長，一般目前激光雷達(dá)的工作波長均在1微米左右，故陣列單元的尺寸必須不大于500nm。而且陣列密度越高，能量也越集中，這都提高了對加工精度的要求，需要一定的技術(shù)突破。

接收面大、信噪比差：傳統(tǒng)機(jī)械雷達(dá)只需要很小的接收窗口，但固態(tài)激光雷達(dá)卻需要一整個(gè)接收面，因此會引入較多的環(huán)境光噪聲，增加了掃描解析的難度。

泛光面陣式（FLASH）

泛光面陣式的原理類似TOF相機(jī)，也就是快閃，它不像MEMS或OPA的方案會去進(jìn)行掃描，而是短時(shí)間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，再以高度靈敏的接收器，來完成對環(huán)境周圍圖像的繪制。它運(yùn)行起來更像攝像頭。激光束會直接向各個(gè)方向漫射，因此只要一次快閃就能照亮整個(gè)場景。隨后，系統(tǒng)會利用微型傳感器陣列采集不同方向反射回來的激光束。

圖6 泛光式激光雷達(dá)

Flash LiDAR 的一大優(yōu)勢是它能快速記錄整個(gè)場景，避免了掃描過程中目標(biāo)或激光雷達(dá)移動(dòng)帶來的各種麻煩。當(dāng)前的發(fā)展方向有2個(gè)，一種是蓋格模式APD的單光子計(jì)數(shù)型直接對光子計(jì)數(shù)生成數(shù)字圖像；一種是傳統(tǒng)的CMOS光強(qiáng)模擬采集得到強(qiáng)度圖，將強(qiáng)度圖轉(zhuǎn)化為距離信息。

03.

激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)傳輸

LiDAR由于數(shù)據(jù)量較大，當(dāng)前的控制架構(gòu)中，基本采用將每個(gè)光點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)發(fā)回到中央控制器處理，所以通常會采用FlexRay或以太網(wǎng)此類高帶寬的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。如法雷奧的SCALA在1代采用Flexray，2代則開始使用以太網(wǎng)。

以目前最普遍的旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)為例，其數(shù)據(jù)為10hz，即LiDAR在0.1s時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)一圈，并將硬件得到的數(shù)據(jù)按照不同角度切成不同的packet，而每一個(gè)packet包含了當(dāng)前扇區(qū)所有點(diǎn)的數(shù)據(jù)，包含每個(gè)點(diǎn)的時(shí)間戳，每個(gè)點(diǎn)的xyz數(shù)據(jù)，每個(gè)點(diǎn)的發(fā)射強(qiáng)度，每個(gè)點(diǎn)來自的激光發(fā)射機(jī)的id等信息。而如最新的Livox Horizon激光雷達(dá)，也包含了多回波信息及噪點(diǎn)信息。