激光雷達(dá)LIDAR基本工作原理

一、激光雷達(dá)LiDAR工作原理

激光雷達(dá)LiDAR的全稱為Light Detection and Ranging激光探測(cè)和測(cè)距，又稱光學(xué)雷達(dá)。

激光雷達(dá)的工作原理：對(duì)人畜無害的紅外光束Light Pluses發(fā)射、反射和接收來探測(cè)物體。能探測(cè)的對(duì)象：白天或黑夜下的特定物體與車之間的距離。甚至由于反射度的不同，車道線和路面也是可以區(qū)分開來的。哪些物體無法探測(cè)：光束無法探測(cè)到被遮擋的物體。

車用激光雷達(dá)工作原理就是蝙蝠測(cè)距用的回波時(shí)間（Time of Flight，縮寫為TOF）測(cè)量方法。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。

激光雷達(dá)測(cè)距及點(diǎn)云

但要知道光速是每秒30萬公里。要區(qū)分目標(biāo)厘米級(jí)別的精確距離，那對(duì)傳輸時(shí)間測(cè)量分辨率必須做到1納秒。要如此精確的測(cè)量時(shí)間，因此對(duì)應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)的成本就很難降到很低，需要使用巧妙的方法降低測(cè)量難度。

首先，我們需要明確，激光雷達(dá)并不是獨(dú)立運(yùn)作的，一般是由激光發(fā)射器、接收器和慣性定位導(dǎo)航三個(gè)主要模塊組成。當(dāng)激光雷達(dá)工作的時(shí)候，會(huì)對(duì)外發(fā)射激光，在遇到物體后，激光折射回來被CMOS傳感器接收，從而測(cè)得本體到障礙物的距離。從原理來看，只要需要知道光速、和從發(fā)射到CMOS感知的時(shí)間就可以測(cè)出障礙物的距離，再結(jié)合實(shí)時(shí)GPS、慣性導(dǎo)航信息與計(jì)算激光雷達(dá)發(fā)射出去角度，系統(tǒng)就可以得到前方物體的坐標(biāo)方位和距離信息。

緊接著，一個(gè)激光雷達(dá)如果能在同一個(gè)空間內(nèi)，按照設(shè)定好的角度發(fā)射多條激光，就能得到多條基于障礙物的反射信號(hào)。再配合時(shí)間范圍、激光的掃描角度、GPS 位置和 INS 信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，這些信息配合x，y，z坐標(biāo)，就會(huì)成為具有距離信息、空間位置信息等的三維立體信號(hào)，再基于軟件算法組合起來，系統(tǒng)就可以得到線、面、體等各種相關(guān)參數(shù)，以此建立三維點(diǎn)云圖，繪制出環(huán)境地圖，就能變成汽車的“眼睛”。

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(如下圖所示)，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(huì)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。

不同激光束形成的激光點(diǎn)云

對(duì)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(cè)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。

1.1 技術(shù)原理

激光雷達(dá)探測(cè)的具體技術(shù)可以分為TOF飛行時(shí)間法與相干探測(cè)方法。其中ToF方法可以進(jìn)一步區(qū)分為iToF和dToF方法；

1.1.1飛行時(shí)間（ToF）探測(cè)方法

通過直接計(jì)算發(fā)射及接收電磁波的時(shí)間差測(cè)量被測(cè)目標(biāo)的距離；

1.1.2 相干探測(cè)方法（如：FMCW）

通過測(cè)量發(fā)射電磁波與返回電磁波的頻率變化解調(diào)出被測(cè)目標(biāo)的距離及速度；

FMCW雷達(dá)原理示意圖

1.2激光雷達(dá)的FOV

FOV指激光雷達(dá)能夠探測(cè)到的視場(chǎng)范圍，可以從垂直和水平兩個(gè)維度以角度來衡量范圍大小，下圖比較形象的展示了激光雷達(dá)FOV范圍，之所以要提到FOV是因?yàn)楹竺娌煌募夹g(shù)路線基本都是為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)FOV區(qū)域內(nèi)探測(cè)。

垂直FOV：常見的車載激光雷達(dá)通常在25°，形狀呈扇形；

水平FOV：常見的機(jī)械式激光雷達(dá)可以達(dá)到360°范圍，通常布置于車頂；常見的車載半固態(tài)激光雷達(dá)通常可以達(dá)到120°范圍，形狀呈扇形，可布置于車身或車頂；

1.3 激光雷達(dá)在L2+的性能要求

對(duì)于激光雷達(dá)在L2+的性能要求如下：

a、測(cè)距距離有要求,高速場(chǎng)景下至少有150米以上的探測(cè)距離

b、具有120FOV寬視角,滿足十字路口等特殊場(chǎng)景的檢測(cè);

c、測(cè)距的精準(zhǔn)度,滿足≤3cm,角分辨率越小越好,水平和垂直≤0.3°

d、具備100線以上的掃描效果和百萬級(jí)別點(diǎn)頻,這樣遇到150米以外的物體也能反射回足夠多的激光點(diǎn)云用于識(shí)別

e、具有車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的工作溫度,能夠規(guī)模化生產(chǎn)

f、體積一定要小,方便車企的造型設(shè)計(jì)

二、激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)

激光雷達(dá)的關(guān)鍵部件按照信號(hào)處理的信號(hào)鏈包括控制硬件DSP（數(shù)字信號(hào)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(cè)器，如下圖所示。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。

激光雷達(dá)的關(guān)鍵部件

三、激光雷達(dá)的種類

把激光雷達(dá)按照掃描方式來分類，目前有機(jī)械式激光雷達(dá)、半固態(tài)激光雷達(dá)和固態(tài)激光雷達(dá)三大類。其中機(jī)械式激光雷達(dá)最為常用，固態(tài)激光雷達(dá)為未來業(yè)界大力發(fā)展方向，半固態(tài)激光雷達(dá)是機(jī)械式和純固態(tài)式的折中方案，屬于目前階段量產(chǎn)裝車的主力軍。

3.1機(jī)械式激光雷達(dá)

3.1.1 工作原理

發(fā)射和接收模塊被電機(jī)電動(dòng)進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)。在豎直方向上排布多組激光線束，發(fā)射模塊以一定頻率發(fā)射激光線，通過不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描。

3.1.2 優(yōu)劣勢(shì)分析

優(yōu)勢(shì)：機(jī)械式激光雷達(dá)作為最早裝車的產(chǎn)品，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，因?yàn)槠涫怯?a target="_blank">電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)，所以可以長時(shí)間內(nèi)保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，每次掃描的速度都是線性的。并且由于『站得高』，機(jī)械式激光雷達(dá)可以對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行精度夠高并且清晰穩(wěn)定的360度環(huán)境重構(gòu)。

劣勢(shì)：雖然技術(shù)成熟，但因?yàn)槠鋬?nèi)部的激光收發(fā)模組線束多，并且需要復(fù)雜的人工調(diào)教，制造周期長，所以成本并不低，并且可靠性差，導(dǎo)致可量產(chǎn)性不高。其次，機(jī)械式激光雷達(dá)體積過大，消費(fèi)者接受度不高。最后，它的壽命大約在1000h~3000h，而汽車廠商的要求是至少13000h，這也決定了其很難走向C端市場(chǎng)。

3.2 半固態(tài)—MEMS式激光雷達(dá)

MEMS全稱Micro-Electro-Mechanical System（微機(jī)電系統(tǒng)），是將原本激光雷達(dá)的機(jī)械結(jié)構(gòu)通過微電子技術(shù)集成到硅基芯片上。本質(zhì)上而言MEMS激光雷達(dá)并沒有做到完全取消機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以它是一種半固態(tài)激光雷達(dá)。

3.2.1 工作原理

MEMS在硅基芯片上集成了體積十分精巧的微振鏡，其核心結(jié)構(gòu)是尺寸很小的懸臂梁——通過控制微小的鏡面平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將激光管反射到不同的角度完成掃描，而激光發(fā)生器本身固定不動(dòng)。

MEMS激光雷達(dá)微振鏡模塊

3.2.2 優(yōu)劣勢(shì)分析

優(yōu)勢(shì)：MEMS激光雷達(dá)因?yàn)閿[脫了笨重的「旋轉(zhuǎn)電機(jī)」和「掃描鏡」等機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置，去除了金屬機(jī)械結(jié)構(gòu)部件，同時(shí)配備的是毫米級(jí)的微振鏡，這大大減少了MEMS激光雷達(dá)的尺寸，與傳統(tǒng)的光學(xué)掃描鏡相比，在光學(xué)、機(jī)械性能和功耗方面表現(xiàn)更為突出。其次，得益于激光收發(fā)單元的數(shù)量的減少，同時(shí)MEMS振鏡整體結(jié)構(gòu)所使用的硅基材料還有降價(jià)空間，因此MEMS激光雷達(dá)的整體成本有望進(jìn)一步降低。

劣勢(shì)：MEMS激光雷達(dá)的「微振鏡」屬于振動(dòng)敏感性器件，同時(shí)硅基MEMS的懸臂梁結(jié)構(gòu)非常脆弱，外界的振動(dòng)或沖擊極易直接致其斷裂，車載環(huán)境很容易對(duì)其使用壽命和工作穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。其次，MEMS的振動(dòng)角度有限導(dǎo)致視場(chǎng)角比較?。ㄐ∮?20度），同時(shí)受限于MEMS微振鏡的鏡面尺寸，傳統(tǒng)MEMS技術(shù)的有效探測(cè)距離只有50米，F(xiàn)OV角度只能達(dá)到30度，多用于近距離補(bǔ)盲或者前向探測(cè)。

目前，由于MEMS上游供應(yīng)鏈已經(jīng)相對(duì)成熟，比如Luminar的MEMS半固態(tài)激光雷達(dá)已將制造成本降低到了500-1000美元，使規(guī)模量產(chǎn)成為了可能。國內(nèi)方面，速騰聚創(chuàng)和廣汽埃安、威馬、極氪等11家車企建立了合作，同時(shí)其產(chǎn)品「RS-LiDAR-M1」已于2020年12月開始批量出貨，成為全球首款批量交付的車規(guī)級(jí)MEMS激光雷達(dá)。海外方面，Luminar在全球范圍內(nèi)已擁有50多位行業(yè)合作伙伴，其中包括沃爾沃、上汽飛凡汽車、小馬智行等。

3.2.3 微震鏡不同驅(qū)動(dòng)方式特點(diǎn)

3.3 半固態(tài)—轉(zhuǎn)鏡式激光雷達(dá)

轉(zhuǎn)鏡式激光雷達(dá)與MEMS激光雷達(dá)差異在于，前者的掃描鏡是圍繞著圓心旋轉(zhuǎn)，后者則是圍繞著某條直徑上下振動(dòng)。相比之下，轉(zhuǎn)鏡式激光雷達(dá)的功耗更低，散熱難度更低，因而也更容易擁有比較高的可靠性。

3.3.1 工作原理

與MEMS微振鏡平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)的形式不同，轉(zhuǎn)鏡是反射鏡面圍繞圓心不斷旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)激光的掃描。在轉(zhuǎn)鏡方案中，也存在一面掃描鏡（一維轉(zhuǎn)鏡）和一縱一橫兩面掃描鏡（二維轉(zhuǎn)鏡）兩種技術(shù)路線。一維轉(zhuǎn)鏡線束與激光發(fā)生器數(shù)量一致，而二維轉(zhuǎn)鏡可以實(shí)現(xiàn)等效更多的線束，在集成難度和成本控制上存在優(yōu)勢(shì)。

簡(jiǎn)而言之，使用轉(zhuǎn)鏡折射光線實(shí)現(xiàn)激光在FOV區(qū)域內(nèi)的覆蓋，通常與線光源配合使用，形成FOV面的覆蓋，也可以與振鏡組合使用，配合點(diǎn)光源形成FOV面的覆蓋；

3.3.2 優(yōu)劣勢(shì)分析

優(yōu)勢(shì)：轉(zhuǎn)鏡式激光雷達(dá)的激光發(fā)射和接收裝置是固定的，所以即使有「旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)」，也可以把產(chǎn)品體積做小，進(jìn)而降低成本。并且旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)只有反射鏡，整體重量輕，電機(jī)軸承的負(fù)荷小，系統(tǒng)運(yùn)行起來更穩(wěn)定，壽命更長，是符合車規(guī)量產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)條件。

劣勢(shì)：因?yàn)橛小感D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)」這樣的機(jī)械形式的存在，便不可避免地在長期運(yùn)行之后，激光雷達(dá)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度會(huì)受到影響。其次，一維式的掃描線數(shù)少，掃描角度不能到360度。

從應(yīng)用看，具備車規(guī)級(jí)量產(chǎn)實(shí)力的Tier1供貨商有法雷奧（Scala）、鐳神智能（CH32），Innovusion（Falcon）。2017年，奧迪A8為全球首款量產(chǎn)的L3級(jí)別自動(dòng)駕駛的乘用車，其搭載的激光雷達(dá)便是法雷奧和Ibeo聯(lián)合研發(fā)的4線旋轉(zhuǎn)掃描鏡激光雷達(dá)。2020年，鐳神智能自主研發(fā)的CH32面世，成為全球第二款獲得車規(guī)級(jí)認(rèn)證的轉(zhuǎn)鏡式激光雷達(dá)，目前已經(jīng)規(guī)?；桓稏|風(fēng)悅享量產(chǎn)前裝車型生產(chǎn)。2022年，搭載Innovusion Falcon激光雷達(dá)的蔚來ET7上市，該款激光雷達(dá)為1550nm方案，等效300線數(shù)。從售價(jià)看，法雷奧Scala 2為900歐元（約6500元人民幣），已經(jīng)下降至車企可接受的價(jià)格范圍。

3.4 半固態(tài)-棱鏡式激光雷達(dá)

無人機(jī)龍頭廠商大疆孵化覽沃科技（Livox）入局激光雷達(dá)，便是采用的棱鏡式掃描方案，大疆利用其在無人機(jī)領(lǐng)域積累的電機(jī)精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)及自動(dòng)化產(chǎn)線，有信心克服棱鏡軸承或襯套壽命的難題，也為其激光雷達(dá)技術(shù)構(gòu)筑護(hù)城河。

3.4.1 工作原理

棱鏡式激光雷達(dá)也稱為雙楔形棱鏡式激光雷達(dá)，內(nèi)部包括兩個(gè)楔形棱鏡，激光在通過第一個(gè)楔形棱鏡后發(fā)生一次偏轉(zhuǎn)，通過第二個(gè)楔形棱鏡后再一次發(fā)生偏轉(zhuǎn)?？刂苾擅胬忡R的相對(duì)轉(zhuǎn)速便可以控制激光束的掃描形態(tài)。與前面提到的掃描形式不同，棱鏡激光雷達(dá)累積的掃描圖案形狀狀若菊花，而并非一行一列的點(diǎn)云狀態(tài)。這樣的好處是只要相對(duì)速度控制得當(dāng)，在同一位置長時(shí)間掃描幾乎可以覆蓋整個(gè)區(qū)域。

棱鏡式激光雷達(dá)工作示意圖

棱鏡及點(diǎn)云掃描示意圖

棱鏡式激光雷達(dá)工作圖

3.4.2 優(yōu)劣勢(shì)分析

優(yōu)勢(shì)：首先，該設(shè)計(jì)減少了激光發(fā)射和接收的線數(shù)以實(shí)現(xiàn)一幀之內(nèi)更高的線數(shù)，也隨之降低了對(duì)焦與標(biāo)定的復(fù)雜度，因此生產(chǎn)效率得以大幅提升，并且相比于傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)，棱鏡式的成本有了大幅的下降。其次，只要掃描時(shí)間夠久，就能得到精度極高的點(diǎn)云以及環(huán)境建模，分辨率幾乎沒有上限，且可達(dá)到近100％的視場(chǎng)覆蓋率。

劣勢(shì)：棱鏡式激光雷達(dá)FOV相對(duì)較小，且視場(chǎng)中心的掃描點(diǎn)非常密集，雷達(dá)的視場(chǎng)邊緣掃描點(diǎn)比較稀疏，在雷達(dá)啟動(dòng)的短時(shí)間內(nèi)會(huì)有分辨率過低的問題。對(duì)于高速移動(dòng)的汽車來說，顯然不存在長時(shí)間掃描的情況，不過可以通過增加激光線束和功率實(shí)現(xiàn)更高的精度和更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，但機(jī)械結(jié)構(gòu)也相對(duì)更加復(fù)雜，體積讓前兩者更難以控制，存在軸承或襯套的磨損等風(fēng)險(xiǎn)。

從車規(guī)級(jí)應(yīng)用來看，小鵬P5配備2顆大疆Livox車規(guī)級(jí)棱鏡式激光雷達(dá)，另外大疆Livox也獲得了一汽解放量產(chǎn)項(xiàng)目的定點(diǎn) 。針對(duì)單顆棱鏡式中心區(qū)域點(diǎn)云密集。兩側(cè)點(diǎn)云相對(duì)稀疏的情況，小鵬P5選擇在車前部署了2顆激光雷達(dá)，前方提高至 180度的超寬點(diǎn)云視野，提高應(yīng)對(duì)近處車輛加塞、十字路口拐彎等復(fù)雜路況的通行能力。

小鵬P5上搭載的大疆Livox 棱鏡式激光雷達(dá)

3.5 固態(tài)-OPA激光雷達(dá)

針對(duì)車規(guī)級(jí)設(shè)備需要在連續(xù)振動(dòng)、高低溫、高濕高鹽等環(huán)境下連續(xù)工作的特點(diǎn)，固態(tài)激光雷達(dá)成為了較為可行的發(fā)展方向。

3.5.1 工作原理

利用光的相干性質(zhì)，通過人為控制相位差實(shí)現(xiàn)不同方向的光發(fā)射效果；

我們知道光和電磁波一樣也表現(xiàn)出波的特性，因此同樣可以利用相位差控制干涉讓激光“轉(zhuǎn)向”特定的角度，往復(fù)控制實(shí)現(xiàn)掃描效果。

OPA光學(xué)相控工作原理示意圖

相干與掃描原理圖示意圖

3.5.2 優(yōu)劣勢(shì)分析

優(yōu)勢(shì)：OPA激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)采用純固態(tài)器件，沒有任何需要活動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此在耐久度上表現(xiàn)更出眾；雖然省去機(jī)械掃描結(jié)構(gòu)，但卻能做到類似機(jī)械式的全景掃描，同時(shí)在體積上可以做得更小，量產(chǎn)后的成本有望大大降低。

劣勢(shì)：OPA激光雷達(dá)對(duì)激光調(diào)試、信號(hào)處理的運(yùn)算力要求很大，同時(shí)，它還要求陣列單元尺寸必須不大于半個(gè)波長，因此每個(gè)器件尺寸僅500nm左右，對(duì)材料和工藝的要求都極為苛刻，由于技術(shù)難度高，上游產(chǎn)業(yè)鏈不成熟，導(dǎo)致 OPA 方案短期內(nèi)難以車規(guī)級(jí)量產(chǎn)，目前也很少有專注開發(fā)OPA激光雷達(dá)的Tier1供應(yīng)商。

應(yīng)用層面，目前暫無車規(guī)級(jí)量產(chǎn)案例，OPA方案的代表企業(yè)為Quanergy。2021年8月，Quanergy對(duì)其OPA固達(dá)態(tài)激光雷達(dá)S3系列完成駕駛實(shí)測(cè)演示。測(cè)試結(jié)果顯示，S3系列固態(tài)激光雷達(dá)可以提供超過10萬小時(shí)的平均無故障時(shí)間（MTBF），在全光照下實(shí)現(xiàn)100米的探測(cè)性能，大規(guī)模量產(chǎn)后的目標(biāo)價(jià)格為500美元。

3.6 固態(tài)-FLASH激光雷達(dá)

由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，F(xiàn)lash閃光激光雷達(dá)是目前純固態(tài)激光雷達(dá)最主流的技術(shù)方案。但是由于短時(shí)間內(nèi)發(fā)射大面積的激光，因此在探測(cè)精度和探測(cè)距離上會(huì)受到較大的影響，主要用于較低速的無人駕駛車輛，例如無人外賣車、無人物流車等，對(duì)探測(cè)距離要求較低的自動(dòng)駕駛解決方案中。

3.6.1 工作原理

Flash原本的意思為快閃。而Flash激光雷達(dá)的原理也是快閃，不像MEMS或OPA的方案會(huì)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(cè)區(qū)域的激光，再以高度靈敏的接收器，來完成對(duì)環(huán)境周圍圖像的繪制。因此，F(xiàn)lash固態(tài)激光雷達(dá)屬于非掃描式雷達(dá)，發(fā)射面陣光，是以2維或3維圖像為重點(diǎn)輸出內(nèi)容的激光雷達(dá)。某種意義上，它有些類似于黑夜中的照相機(jī)，光源由自己主動(dòng)發(fā)出。

Flash激光雷達(dá)的成像原理是發(fā)射大面積激光一次照亮整個(gè)場(chǎng)景，然后使用多個(gè)傳感器接收檢測(cè)和反射光。但最大的問題是，這種工作模式需要非常高的激光功率。在體積限制下，F(xiàn)lash激光雷達(dá)的功率密度不能很高。因此，F(xiàn)lash激光雷達(dá)目前的問題是，由于功率密度的限制，無法考慮三個(gè)參數(shù)：視場(chǎng)角、檢測(cè)距離和分辨率，即如果檢測(cè)距離較遠(yuǎn)，則需要犧牲視場(chǎng)角或分辨率；如果需要高分辨率，則需要犧牲視場(chǎng)角或檢測(cè)距離。

Flash激光雷達(dá)采用面光源泛光成像，其發(fā)射的光線會(huì)散布在整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)，因此不需要折射就可以覆蓋FOV區(qū)域了，難點(diǎn)在于如何提升其功率密度從而提升探測(cè)精度和距離，目前通常使用VCSEL光源組成二維矩陣形成面光源；

亮道智能的Flash激光雷達(dá)

3.6.2 優(yōu)劣勢(shì)分析

優(yōu)點(diǎn)：FLASH激光雷達(dá)最大的優(yōu)勢(shì)在于可以一次性實(shí)現(xiàn)全局成像來完成探測(cè)，且成像速度快。體積小，易安裝，易融入車的整體外觀設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，元件極少，成本低。信號(hào)處理電路簡(jiǎn)單，消耗運(yùn)算資源少，整體成本低。刷新頻率可高達(dá)3MHz，是傳統(tǒng)攝像頭的10萬倍，實(shí)時(shí)性好，因此易過車規(guī)。

缺點(diǎn)：不過FLASH激光單點(diǎn)面積比掃描型激光單點(diǎn)大，因此其功率密度較低，進(jìn)而影響到探測(cè)精度和探測(cè)距離（低于50米）。要改善其性能，需要使用功率更大的激光器，或更先進(jìn)的激光發(fā)射陣列，讓發(fā)光單元按一定模式導(dǎo)通點(diǎn)亮，以取得掃描器的效果。

Ibeo FLASH激光雷達(dá)的接收模塊

為了克服探測(cè)距離的限制，F(xiàn)LASH激光雷達(dá)的代表廠商Ibeo、LedderTech開始在激光收發(fā)模塊進(jìn)行創(chuàng)新。車規(guī)級(jí)激光雷達(dá)鼻祖Ibeo，則一步到位推出了單光子激光雷達(dá)，Ibeo稱其為Focal Plane Array焦平面，實(shí)際也可歸為FlASH激光雷達(dá)。2019年8月27日，長城汽車與德國激光雷達(dá)廠商Ibeo正式簽署了激光雷達(dá)技術(shù)戰(zhàn)略合作協(xié)議，三方合作的產(chǎn)品基礎(chǔ)就是ibeonEXT Generic 4D Solid State LiDAR。從長遠(yuǎn)來看，F(xiàn)LASH激光雷達(dá)芯片化程度高，規(guī)?；慨a(chǎn)后大概率能拉低成本，隨著技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)LASH激光雷達(dá)有望成為主流的技術(shù)方案。

對(duì)這幾款激光雷達(dá)優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行了匯總：

四、激光光源

由于激光器發(fā)射的光線需要投射至整個(gè)FOV平面區(qū)域內(nèi)，除了面光源可以直接發(fā)射整面光線外，點(diǎn)光源則需要做二維掃描覆蓋整個(gè)FOV區(qū)域，線光源需要做一維掃描覆蓋整個(gè)FOV區(qū)域。

其中點(diǎn)光源根據(jù)光源發(fā)射的形式又可以分為EEL（Edge-Emitting Laser邊發(fā)射激光器）和VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser垂直腔面發(fā)射激光器）兩種，二者區(qū)別在于EEL激光平行于襯底表面發(fā)出（如圖1），VCSEL激光垂直于襯底表面發(fā)出（如圖2）。

其中VCSEL式易于進(jìn)行芯片式陣列布置，通常使用此類光源進(jìn)行陣列式布置形成線光源（一維陣列）或面光源（二維陣列），VCSEL光源剖面圖與二維陣列光源芯片示意圖如下

VCSEL剖面與二維陣列示意圖

五、其它常見術(shù)語釋義

測(cè)遠(yuǎn)能力:一般指激光雷達(dá)對(duì)于10%低反射率目標(biāo)物的最遠(yuǎn)探測(cè)距離。

最近測(cè)量距離：激光雷達(dá)能夠輸出可靠探測(cè)數(shù)據(jù)的最近距離。

測(cè)距盲區(qū)：從激光雷達(dá)外罩到最近測(cè)量距離之間的范圍,這段距離內(nèi)激光雷達(dá)無法獲取有效的測(cè)量信號(hào),無法對(duì)目標(biāo)物信息進(jìn)行反饋。

角度盲區(qū)：激光雷達(dá)視場(chǎng)角范圍沒有覆蓋的區(qū)域,系統(tǒng)無法獲取這些區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)物信息。

角度分辨率：激光雷達(dá)相鄰兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)之間的角度間隔,分為水平角度分辨率與垂直角度分辨率。相鄰探測(cè)點(diǎn)之間角度間隔越小,對(duì)目標(biāo)物的細(xì)節(jié)分辨能力越強(qiáng)。

測(cè)距精度：激光雷達(dá)對(duì)同一距離下的物體多次測(cè)試所得數(shù)據(jù)之間的一致程度,精度越高表示測(cè)量的隨機(jī)誤差越小。

測(cè)距準(zhǔn)度：激光雷達(dá)探測(cè)得到距離數(shù)據(jù)與真值之間的差距,準(zhǔn)度越高表示測(cè)量結(jié)果與真實(shí)數(shù)據(jù)符合程度越高。

點(diǎn)頻：激光雷達(dá)每秒完成探測(cè)并獲取的探測(cè)點(diǎn)的數(shù)目。

抗干擾：激光雷達(dá)對(duì)工作同一環(huán)境下、采用相同激光波段的其他激光雷達(dá)的干擾信號(hào)的抵抗能力,抗干擾能力越強(qiáng)說明在多臺(tái)激光雷達(dá)共同工作的條件下產(chǎn)生的噪點(diǎn)率越低

功耗：激光雷達(dá)系統(tǒng)工作狀態(tài)下所消耗的電功率。

激光雷達(dá)線數(shù)：一般指激光雷達(dá)垂直方向上的測(cè)量線的數(shù)量,對(duì)于一定的角度范圍,線數(shù)越多代表角度分辨率越高,對(duì)目標(biāo)物的細(xì)節(jié)分辨能力越強(qiáng)。

多傳感器標(biāo)定：將多傳感器得到的各自局部空間坐標(biāo)下的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到一個(gè)統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系的過程。

可靠性：一般指產(chǎn)品可靠性,是組件、產(chǎn)品、系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)、在一定條件下無故障地執(zhí)行指定功能的能力或可能性。

安全性：產(chǎn)品在使用、儲(chǔ)運(yùn)、銷售等過程中,保障人體健康和人身、財(cái)產(chǎn)安全免受傷害或損失的能力或可能性,包括功能安全、網(wǎng)絡(luò)安全、激光安全等。

大生命力的浪潮正推動(dòng)著中國品牌向世界一流的材料方案服務(wù)商邁進(jìn)。