[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號(hào)]激光雷達(dá)（LiDAR）是一款把光當(dāng)“尺子”來(lái)量距離的一類傳感器，在自動(dòng)駕駛里負(fù)責(zé)“看清三維形狀和距離”。它和攝像頭、毫米波雷達(dá)不一樣，能直接給出稠密的三維點(diǎn)云，幫助車輛判斷周圍物體的空間位置與幾何形狀。假期閑敘，就和大家簡(jiǎn)單聊聊激光雷達(dá)。

激光雷達(dá)到底是什么

激光雷達(dá)通常由激光發(fā)射器、接收器（光電探測(cè)器）、光學(xué)掃描或發(fā)散系統(tǒng)、時(shí)間/頻率測(cè)量電路和點(diǎn)云處理模塊等組成，其工作時(shí)是將一束或一陣激光發(fā)射出去，等激光從周圍物體反彈回來(lái)后，通過(guò)“來(lái)回時(shí)間”或“頻率變化”計(jì)算出物體與車輛的距離，將大量這樣的距離點(diǎn)拼起來(lái)，就可以形成三維點(diǎn)云。相比攝像頭靠像素和顏色、毫米波雷達(dá)靠電波反射強(qiáng)度，激光雷達(dá)可以直接用來(lái)測(cè)空間幾何，給出的信息更“干凈”，每個(gè)點(diǎn)都有明確的三維坐標(biāo)（x,y,z），再配上反射強(qiáng)度便可以判斷材質(zhì)粗略特征。

不同廠商和不同類型在這些模塊的實(shí)現(xiàn)上差別很大，這也造成了性能、成本和適應(yīng)場(chǎng)景的差異。激光雷達(dá)可以從兩個(gè)維度去區(qū)分，一是工作原理（如何測(cè)距離），二是實(shí)現(xiàn)形式（硬件怎么把光分布出去、怎么掃描）。

按工作原理分，激光雷達(dá)主要有飛行時(shí)間測(cè)距（Time-of-Flight,ToF）和調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）兩類。ToF是傳統(tǒng)且最常見(jiàn)的方式，發(fā)脈沖，測(cè)回波來(lái)回時(shí)間，乘以光速得到距離。ToF實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本區(qū)間廣，但在高反射或極遠(yuǎn)距離、以及直接測(cè)速度時(shí)有限制。FMCW激光雷達(dá)通過(guò)向發(fā)射光加頻率調(diào)制，接收回波后與本地信號(hào)做混頻，從頻差得到距離和徑向速度（多普勒），具有更強(qiáng)的抗干擾能力、能夠直接測(cè)速度并對(duì)強(qiáng)反射場(chǎng)景更穩(wěn)定，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)光學(xué)和電子器件要求更高，成本也更高。不過(guò)FMCW在抗相互干擾與夜間弱回波下的表現(xiàn)，被認(rèn)為更適合未來(lái)大規(guī)模部署的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。

按實(shí)現(xiàn)形式分（也就是掃描方式），激光雷達(dá)常見(jiàn)分類包括機(jī)械旋轉(zhuǎn)式、固態(tài)（固態(tài)又可細(xì)分為閃光式、固態(tài)相控/相控陣、MEMS鏡面、光學(xué)相控陣等）。早期常見(jiàn)的外露旋轉(zhuǎn)式（上面轉(zhuǎn)著一個(gè)圓筒，360度掃描）點(diǎn)密度高、視場(chǎng)廣、技術(shù)成熟，但機(jī)械運(yùn)動(dòng)件也帶來(lái)了可靠性、成本、體積和防護(hù)問(wèn)題。固態(tài)設(shè)計(jì)的目的就是把轉(zhuǎn)動(dòng)部件去掉，做到更小、更便宜、更耐用。閃光式（Flash LiDAR）一次性發(fā)光并用二維接收陣列直接獲取深度圖，適合近距離、高幀率的場(chǎng)景；MEMS是用小鏡子偏轉(zhuǎn)光束，體積小但視場(chǎng)/點(diǎn)數(shù)受限；光學(xué)相控陣/相控光學(xué)能實(shí)現(xiàn)電子掃描，未來(lái)潛力大但技術(shù)門檻高。

此外，激光波長(zhǎng)（常見(jiàn)有905nm與1550nm兩種主流選擇）也會(huì)影響激光雷達(dá)的性能與成本。905nm波段器件成熟、成本低，但發(fā)射功率受人體安全標(biāo)準(zhǔn)限制；1550nm在相同能量下對(duì)人的眼睛更安全，允許更高發(fā)射功率，從而在更遠(yuǎn)距離或穿透能見(jiàn)度較差的場(chǎng)景下表現(xiàn)更好，但對(duì)應(yīng)的發(fā)射器和探測(cè)器成本更高。

對(duì)于激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，還有一個(gè)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，那便是線數(shù)（或垂直分辨率）。很多廠商會(huì)以“線”來(lái)標(biāo)榜點(diǎn)云密度，比如16、32、64、128線，但這只是一個(gè)指標(biāo)，還要看實(shí)際掃描率、水平分辨率、點(diǎn)云刷新率和點(diǎn)云均勻性。線數(shù)高不等于系統(tǒng)更好，要結(jié)合整車感知需求、處理算力、以及感知算法如何利用這些點(diǎn)云來(lái)評(píng)估自動(dòng)駕駛的價(jià)值。

激光雷達(dá)是如何工作的？

脈沖ToF激光雷達(dá)中激光發(fā)射器發(fā)出短脈沖光，脈沖向外擴(kuò)散或按一定角度掃描；當(dāng)脈沖碰到路邊的護(hù)欄、行人、車輛或其他物體時(shí)，一部分光被反射回接收端。接收端的光電探測(cè)器（通常是雪崩光電二極管APD或硅光電二極管、在1550nm時(shí)可能用InGaAs）把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，前端放大器把非常弱的電信號(hào)提升到能被時(shí)間測(cè)量電路識(shí)別的水平。時(shí)間測(cè)量電路精確記錄從發(fā)射到接收到回波的時(shí)間差，乘以光速并除以二就得到距離。為得到空間分布，系統(tǒng)依靠掃描機(jī)制把脈沖朝不同方向發(fā)射，多次測(cè)量后就能把很多點(diǎn)拼成點(diǎn)云?，F(xiàn)階段的激光雷達(dá)還會(huì)記錄每個(gè)點(diǎn)的回波強(qiáng)度（反射率指示），有些還能分辨多回波（比如脈沖經(jīng)過(guò)樹(shù)葉后還能收到從后方道路的回波），用于更復(fù)雜的場(chǎng)景理解。

FMCW激光雷達(dá)沒(méi)有短脈沖，而是持續(xù)發(fā)送頻率線性調(diào)制的光。接收回波與本地參考波混頻，得到差頻信號(hào)，差頻的頻率與回程延時(shí)相關(guān)，從而推導(dǎo)出距離；同時(shí)由于存在多普勒頻率偏移，混頻結(jié)果還能帶有速度信息。這種方法在抵抗強(qiáng)光或車輛間相互干擾時(shí)更有優(yōu)勢(shì)，并且可以直接輸出目標(biāo)的徑向速度，減少數(shù)據(jù)融合的復(fù)雜度。

無(wú)論是哪種方式，最終輸出給感知模塊的都是帶有坐標(biāo)（通常在雷達(dá)自身坐標(biāo)系下）、強(qiáng)度、時(shí)間戳的點(diǎn)云。之后點(diǎn)云會(huì)被濾噪、聚類、分割，再與攝像頭或毫米波雷達(dá)的數(shù)據(jù)做融合。點(diǎn)云能直接為目標(biāo)提供三維輪廓信息，輔助目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤、定位與路徑規(guī)劃。

激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)和短板

激光雷達(dá)的顯著優(yōu)勢(shì)是直接給出精準(zhǔn)的三維幾何信息，特別在夜間或低紋理環(huán)境（白天光線差、路面單色）時(shí)，攝像頭可能看不清，但LiDAR仍能輸出結(jié)構(gòu)良好的點(diǎn)云。對(duì)障礙物距離估計(jì)非常直接，這能降低數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和三維重建的難度。對(duì)于需要精確邊界、形狀的場(chǎng)景（比如復(fù)雜路口、狹窄車道、復(fù)雜工況）點(diǎn)云非常有用。

激光雷達(dá)的感知效果非常明顯，但其短板也很多。第一是成本。傳統(tǒng)高性能LiDAR單臺(tái)成本很高，這影響了大規(guī)模量產(chǎn)車的采用。第二是對(duì)環(huán)境的脆弱性。霧、雨、雪、塵土?xí)⑸浠蛭占す?，?dǎo)致回波減少或噪聲增加，點(diǎn)云稀疏；塵霧或雨滴引起的多回波會(huì)誤判。第三是安裝與維護(hù)，對(duì)于機(jī)械旋轉(zhuǎn)式LiDAR，長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性、密封防水、抗振動(dòng)等都需要工程設(shè)計(jì)。第四是數(shù)據(jù)量與算力需求。高密度點(diǎn)云對(duì)感知算法和車載算力是非常大的挑戰(zhàn)，需要高效的點(diǎn)云處理流水線。第五是互相干擾與法規(guī)問(wèn)題。當(dāng)多個(gè)激光雷達(dá)在同一環(huán)境工作時(shí)，脈沖可能相互干擾（尤其ToF系統(tǒng)），這需要采用不同編碼或使用抗干擾設(shè)計(jì)；在一些波段下發(fā)射功率還要考慮人體安全規(guī)范。

可以不用激光雷達(dá)嗎？

在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，其實(shí)一直有一個(gè)話題，那就是是否可以直接純視覺(jué)。其實(shí)對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，不是簡(jiǎn)單的“能”或“不能”，而是要看目標(biāo)功能、安全要求、部署成本和使用場(chǎng)景。

純視覺(jué)（或視覺(jué)+毫米波雷達(dá)）方案在某些受控場(chǎng)景或限定ODD（運(yùn)行設(shè)計(jì)域）下是可行的。攝像頭能提供高分辨率的紋理、顏色和語(yǔ)義信息，用深度學(xué)習(xí)模型可以做車輛、行人和車道線的檢測(cè)、語(yǔ)義分割以及端到端行為預(yù)測(cè)。對(duì)于低速、結(jié)構(gòu)化、道路標(biāo)識(shí)明確、氣候條件穩(wěn)定的場(chǎng)景，攝像頭+高性能算法確實(shí)能達(dá)到令人滿意的效果。

但純視覺(jué)的弱點(diǎn)也很明顯，攝像頭本質(zhì)上是被動(dòng)感光器件，對(duì)光照變化高度敏感。強(qiáng)光逆光、夜間低照、雨雪或霧天都會(huì)顯著影響性能。再者，視覺(jué)本身不直接給距離，深度估計(jì)需要立體視覺(jué)或?qū)W習(xí)推斷，誤差分布復(fù)雜且難以完全保證在安全臨界場(chǎng)景下的可靠性。毫米波雷達(dá)能給速度和一定距離但分辨率低，無(wú)法替代LiDAR在幾何精度上的作用。

因此很多方案都是采用融合路線，在低速城市自動(dòng)泊車或部分自動(dòng)化場(chǎng)景可能依賴攝像頭與毫米波雷達(dá)；在更高等級(jí)的自動(dòng)駕駛（比如城市復(fù)雜路況的L4/L3）中，廠商更傾向于把激光雷達(dá)作為“幾何主傳感器”之一，用于提供可靠的三維信息和作為冗余驗(yàn)證手段。也有公司決心走“無(wú)激光雷達(dá)”道路，通過(guò)海量數(shù)據(jù)、閉環(huán)訓(xùn)練和專門的感知架構(gòu)來(lái)提升視覺(jué)方案，但這條路需要極大的數(shù)據(jù)、算力和長(zhǎng)期驗(yàn)證才能在所有極端場(chǎng)景下達(dá)到相同安全裕度。

簡(jiǎn)言之，如果組合輔助駕駛的使用場(chǎng)景是達(dá)到在復(fù)雜城市道路長(zhǎng)期運(yùn)行的高可靠自動(dòng)駕駛，激光雷達(dá)很可能是最穩(wěn)妥的選擇之一；如果只是做限定場(chǎng)景的功能性產(chǎn)品或要壓低成本以便量產(chǎn)，則可以考慮去掉激光雷達(dá)，但必須在ODD設(shè)計(jì)、冗余策略與大量實(shí)路驗(yàn)證上下大功夫。

未來(lái)會(huì)如何發(fā)展

未來(lái)幾年激光雷達(dá)的發(fā)展方向比較明確，一是固態(tài)化與規(guī)?；荚谶M(jìn)一步壓低成本和提升可靠性；二是向FMCW等能直接輸出速度信息、抗干擾能力更強(qiáng)的技術(shù)轉(zhuǎn)型；三是在芯片和光學(xué)集成上做更多突破，把發(fā)射、接收和信號(hào)處理集成到更小的模塊；四是軟件層面的點(diǎn)云處理與學(xué)習(xí)算法會(huì)越來(lái)越高效，減少算力負(fù)擔(dān)。與此同時(shí)，和攝像頭/毫米波雷達(dá)的深度融合會(huì)成為主流，三者互為冗余并各自發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

激光雷達(dá)可以給出穩(wěn)定的三維幾何信息，這對(duì)自動(dòng)駕駛的安全性和環(huán)境理解很重要。但它有成本、環(huán)境適應(yīng)性和集成方面的挑戰(zhàn)。現(xiàn)實(shí)的做法不是“盲目依賴激光雷達(dá)”也不是“極端排斥激光雷達(dá)”，而是把它當(dāng)成工程系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，理解它的物理原理與局限，設(shè)計(jì)好與其他傳感器的互補(bǔ)策略，優(yōu)化安裝和算法，按照既定的ODD做出合理選擇。