在自動駕駛、智慧城市、機器人導(dǎo)航等眾多前沿科技領(lǐng)域，激光雷達（LiDAR，Light Detection and Ranging）正扮演著愈發(fā)關(guān)鍵的角色。它憑借高精度、高分辨率的探測能力，為各類智能系統(tǒng)提供了強大的環(huán)境感知支持。本文將深入剖析激光雷達的技術(shù)方案與工作原理，帶您走進這一前沿傳感技術(shù)的核心世界。

工作原理：激光束的奇妙探測之旅

激光雷達的工作原理猶如一場精心編排的激光探測之旅。它主要由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。

發(fā)射系統(tǒng)如同一位精準的“光束使者”，負責(zé)發(fā)射出一束對人畜無害的紅外激光脈沖。這些激光脈沖以極快的速度射向周圍環(huán)境中的目標物體。當(dāng)激光束遇到目標物體時，會發(fā)生反射現(xiàn)象，部分光束會沿著原路返回。

接收系統(tǒng)則扮演著“光影捕手”的角色，時刻準備捕捉這些反射回來的激光信號。一旦接收到反射光，接收系統(tǒng)會迅速將其轉(zhuǎn)化為電信號，為后續(xù)的處理做好準備。

信號處理系統(tǒng)是整個過程的核心“大腦”，它會對接收到的電信號進行細致入微的分析和處理。通過精確測量激光脈沖從發(fā)射到接收所經(jīng)歷的時間（TOF，Time of Flight），再結(jié)合已知的光速，根據(jù)公式d=21ct（其中d是目標距離，c是光速，t是飛行時間），就能夠準確計算出目標物體與激光雷達之間的距離。

不僅如此，激光雷達還能通過對反射信號的強度、頻率等特征進行分析，獲取目標物體的更多信息，如方位、高度、速度、姿態(tài)甚至形狀等參數(shù)。最終，這些豐富的信息經(jīng)過處理后，以點云的形式呈現(xiàn)出來。點云是由大量具有三維坐標信息的點組成的數(shù)據(jù)集合，它就像是一幅三維世界的數(shù)字地圖，直觀地展現(xiàn)了周圍環(huán)境的詳細特征。

技術(shù)方案：多種掃描方式的精彩呈現(xiàn)

根據(jù)掃描模塊的結(jié)構(gòu)差異，激光雷達主要可分為機械式、半固態(tài)和固態(tài)三大類，每種類型都有其獨特的技術(shù)特點和適用場景。

機械式激光雷達：經(jīng)典且成熟的360°環(huán)繞掃描

機械式激光雷達是最早進入市場且技術(shù)最為成熟的一種方案。它的核心結(jié)構(gòu)是在垂直方向上整齊排布多束激光器，然后通過電機帶動整個光電結(jié)構(gòu)進行360°高速旋轉(zhuǎn)。在這個過程中，多束激光同時發(fā)射，通過不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將點連成線，進而形成三維點云。

機械式激光雷達的線數(shù)與分辨率成正比，線數(shù)越多，分辨率就越高，能夠探測到的環(huán)境細節(jié)也就越豐富。同時，它還具有高測距的特點，能夠準確感知遠距離的目標物體。例如，一些應(yīng)用于自動駕駛領(lǐng)域的機械式激光雷達，可以實現(xiàn)對車輛周圍環(huán)境全方位、高精度的感知，為自動駕駛系統(tǒng)提供可靠的環(huán)境數(shù)據(jù)支持。

然而，機械式激光雷達也存在一些明顯的不足。由于需要依賴旋轉(zhuǎn)部件來實現(xiàn)掃描，其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，體積較大，不僅增加了安裝和集成的難度，還使得成本居高不下。此外，旋轉(zhuǎn)部件的長期運轉(zhuǎn)會導(dǎo)致磨損，影響雷達的可靠性和使用壽命。

半固態(tài)激光雷達：穩(wěn)定與成本的平衡之選

半固態(tài)激光雷達是機械式和純固態(tài)式的一種折中方案，它在保證一定性能的同時，有效降低了成本，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

以轉(zhuǎn)鏡方案為例，其收發(fā)模塊保持靜止不動，電機僅帶動轉(zhuǎn)鏡進行高速旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)的過程中，激光束被反射至空間的不同位置，從而實現(xiàn)對周圍環(huán)境的掃描探測。這種方案減少了可轉(zhuǎn)動的部位，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，同時也降低了制造成本。法雷奧的轉(zhuǎn)鏡方案就是其中的典型代表，它是第一個通過車規(guī)認證、成本可控，且能夠滿足車企性能要求并實現(xiàn)批量供貨的技術(shù)方案。

微振鏡方案則采用了高速振動的二維MEMS微振鏡來實現(xiàn)對空間的掃描測量。MEMS微振鏡是一種在硅基芯片上集成的微小反射鏡，通過控制微小的鏡面平動和扭轉(zhuǎn)往復(fù)運動，將激光反射到不同的角度完成掃描。該方案的技術(shù)創(chuàng)新點在于不斷開發(fā)口徑更大、頻率更高、可靠性更好的振鏡，以適應(yīng)激光雷達的技術(shù)發(fā)展需求。

固態(tài)激光雷達：未來發(fā)展的終極形態(tài)

固態(tài)激光雷達被視為車載激光雷達的終極形態(tài)，它最大的特點是無任何機械運動部件，理論上體積可以縮小到所有方案中的最小尺寸。

其中，OPA（光學(xué)相控陣）技術(shù)是一種極具潛力的實現(xiàn)方式。它通過施加電壓調(diào)節(jié)每個相控單元的相位關(guān)系，利用相干原理，實現(xiàn)發(fā)射光束的偏轉(zhuǎn)，從而完成對空間一定范圍的掃描測量。OPA技術(shù)取消了機械運動部件，具有無慣性器件、精確穩(wěn)定、方向可任意控制等優(yōu)點。其工作原理是激光器功率均分到多路相位調(diào)制器陣列，光場通過光學(xué)天線發(fā)射，在空間遠場相干疊加形成一個具有較強能量的光束；經(jīng)過特定相位調(diào)制后在光場的發(fā)射天線端產(chǎn)生波前的傾斜，從而在遠場反映成光束的偏轉(zhuǎn)，通過施加不同相位，可以獲得不同角度的光束形成掃描的效果。

Flash技術(shù)則采用了類似照相機的工作模式，感光元件的每個像素點可以記錄光子飛行的時間信息，由此能夠輸出具有深度信息的“三維”圖像。不過，該技術(shù)目前存在視場角（FOV）受限、掃描速率較低等問題，需要進一步的技術(shù)突破來解決。

不同技術(shù)方案的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

在國內(nèi)市場，主機廠選擇上車的激光雷達主要采用混合固態(tài)（包括轉(zhuǎn)鏡、棱鏡、MEMS）方案。這主要有兩方面原因：一是混合固態(tài)較機械式激光雷達更易降低成本，同時與純固態(tài)（OPA、Flash）相比，技術(shù)相對成熟，更易實現(xiàn)商業(yè)化落地；二是轉(zhuǎn)鏡方案等混合固態(tài)方案在性能、成本和可靠性等方面能夠較好地滿足當(dāng)前市場需求。

例如，小鵬P5搭載的2顆激光雷達來自大疆Livox定制版車規(guī)級Horiz浩界，采用了雙棱鏡掃描方案，最大探測距離為150m（@10%反射率），橫向視場角120度，角分辨率為0.16°×0.2°，點云密度等效于144線激光雷達，為車輛的自動駕駛功能提供了強大的環(huán)境感知能力。

從發(fā)展趨勢來看，固態(tài)激光雷達憑借其體積小、穩(wěn)定性高、成本低等優(yōu)勢，被認為是未來的主流發(fā)展方向。目前，全球眾多企業(yè)和科研機構(gòu)都在加大對固態(tài)激光雷達技術(shù)的研發(fā)投入。例如，Quanergy公司已經(jīng)將相控陣列激光雷達引入商業(yè)視野，正研發(fā)適用于車內(nèi)傳感系統(tǒng)和無人駕駛汽車的全固態(tài)激光雷達。我國的鐳神智能、北科天繪、速騰聚創(chuàng)、禾賽科技等企業(yè)也開始在MEMS激光雷達領(lǐng)域展開研究，但仍未大規(guī)模商用；LeddarTech、北醒科技、光珀智能、華科博創(chuàng)等公司在Flash激光雷達領(lǐng)域不斷推出新產(chǎn)品。

然而，要實現(xiàn)全固態(tài)、小型化、高性能激光雷達的大規(guī)模應(yīng)用，仍然面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，需要進一步提高OPA技術(shù)的相位調(diào)制精度和掃描范圍，解決Flash技術(shù)的視場角和掃描速率問題等。

激光雷達作為一種先進的激光探測傳感器，憑借其獨特的工作原理和多樣化的技術(shù)方案，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。隨著技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新，相信激光雷達將在未來為我們帶來更多的驚喜和變革，推動智能科技邁向新的高度。

審核編輯 黃宇