淺析激光雷達的工作原理、技術(shù)特點及主要廠商

隨著自動駕駛行業(yè)的發(fā)展，越來越多的企業(yè)參與其中，相關(guān)傳感器的生產(chǎn)商加大投入研發(fā)，提供更符合市場需求的產(chǎn)品。激光雷達，正是自動駕駛中至關(guān)重要的傳感器，從一開始的單線發(fā)展到了128線，掃描方式也不再局限于機械式掃描，其體積也變得越來越小......

工作原理

激光雷達（LiDAR）是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器，好比人類的眼睛，可以確定物體的位置、大小、外部形貌甚至材質(zhì)。它由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng) 、信息處理三部分組成。

其工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測信號(激光束),然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號(目標(biāo)回波)與發(fā)射信號進行比較,作適當(dāng)處理后,就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息,如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù),從而對目標(biāo)進行探測、跟蹤和識別。

技術(shù)特點

傳統(tǒng)的雷達是微波和毫米波波段的電磁波為載波的雷達。激光雷達則是以激光作為載波，可以用振幅、頻率和相位來搭載信息，作為載體。因此，激光雷達有優(yōu)于微波及毫米波的一些特點。

1、具有極高的分辨率

激光雷達工作于光學(xué)波段，頻率比微波高2～3個數(shù)量級以上，因此，與微波雷達相比，激光雷達具有極高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率；

2、抗干擾能力強

激光波長短，可發(fā)射發(fā)散角非常小的激光束，多路徑效應(yīng)?。ú粫纬啥ㄏ虬l(fā)射，與微波或者毫米波產(chǎn)生多路徑效應(yīng)），可探測低空或超低空目標(biāo)；

3、獲取的信息量豐富

可直接獲取目標(biāo)的距離、角度、反射強度、速度等信息，生成目標(biāo)多維度圖像；

4、不受光線影響

不受光線影響，激光掃描儀可全天候進行偵測任務(wù)。它只需發(fā)射自己的激光束，通過探測發(fā)射激光束的回波信號來獲取目標(biāo)信息。

具體類別

目前，激光雷達的種類很多，大致有七種分類方式。

按激光波段分

有紫外激光雷達、可見激光雷達和紅外激光雷達。

按激光介質(zhì)分

有氣體激光雷達、固體激光雷達、半導(dǎo)體激光雷達和二極管激光泵浦固體激光雷達等。

按激光發(fā)射波形分

有脈沖激光雷達、連續(xù)波激光雷達和混合型激光雷達等。

按顯示方式分

有模擬或數(shù)字顯示激光雷達和成像激光雷達。

按運載平臺分

有地基固定式激光雷達、車載激光雷達、機載激光雷達、船載激光雷達、星載激光雷達、彈載激光雷達和手持式激光雷達等。

按功能分

有激光測距雷達、激光測速雷達、激光測角雷達和跟蹤雷達、激光成像雷達，激光目標(biāo)指示器和生物激光雷達等。

按用途分

有激光測距儀、靶場激光雷達、火控激光雷達、跟蹤識別激光雷達、多功能戰(zhàn)術(shù)激光雷達、偵毒激光雷達、導(dǎo)航激光雷達、氣象激光雷達、偵毒和大氣監(jiān)測激光雷達等。

主要廠商

自動駕駛行業(yè)愈加火熱，作為其中必不可少的傳感器，激光雷達成為兵家必爭之地，有Velodyne的“高線束激光雷達”量產(chǎn)，Quanergy“全固態(tài)激光雷達”成功研發(fā)，以及速騰聚創(chuàng)等眾多后起之秀們不斷加入。

1、Velodyne

總部：美國

在激光雷達領(lǐng)域，Velodyne可謂是“一哥”級。它成立于1983年，2005年開始研發(fā)激光雷達，并于同年推出了第一款激光雷達傳感器。2007年，Velodyne用一款 64 線激光雷達進入360°高性能激光雷達領(lǐng)域，同時對外出售第一款激光雷達產(chǎn)品，拉開Velodyne布局激光雷達的大幕。

谷歌在其最早的自動駕駛原型汽車中，所使用的LiDAR傳感器就是由Velodyne開發(fā)的，其產(chǎn)品的測量精度在全行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)處于標(biāo)桿地位，性能優(yōu)越。Velodyne的3D激光雷達產(chǎn)品種類豐富，包括16線束、32線束及64線束等，其中還有專門為智能駕駛汽車設(shè)計的Ultra Puck激光雷達。

2016年8月，已經(jīng)剝離于Velodyne主體的激光雷達公司Velodyne LiDAR獲得由福特汽車與百度總金額為1.5億美元聯(lián)合投資。未來，Velodyne LiDAR將量產(chǎn)最新款3D激光雷達傳感器以滿足居高不下的全球用戶需求。

ULTRA Puck VLP-32C

代表產(chǎn)品：

ULTRA Puck VLP-32C

ULTRA Puck VLP-32C是Velodyne最新推出的長距離LiDAR傳感器，它仍然屬于目前Velodyne主要研發(fā)的高清實時3D LIDAR，結(jié)合了同類最佳的性能和小巧的外形。

特點：

其具有雙重回報；高達200米的范圍；每秒高達約120萬點；+ 15°至-25°垂直視場；360°水平視場；低功耗等特點。

綜合評價：

Velodyne 激光雷達項目目前已經(jīng)和25個不同的無人駕駛汽車項目達成了合作協(xié)議。幾乎所有涉及的OEM主機廠和Tier 1供應(yīng)商都在使用Velodyne的激光雷達產(chǎn)品。但是，Velodyne采用的機械旋轉(zhuǎn)掃描方案有結(jié)構(gòu)過復(fù)雜、成本過高、良品率低、模塊生產(chǎn)難度大、體積大等問題。

2、Quanergy

總部：美國

這家硅谷新銳成立于2012年年底，研制出全球第一款固態(tài)激光雷達。這款產(chǎn)品S3在CES 2016上首次亮相，尺寸與Velodyne產(chǎn)品差不多。不同的是，Quanergy取消了昂貴的機械旋轉(zhuǎn)形式，量產(chǎn)成本250美金（谷歌所用的激光雷達為8萬美元）。

Quanergy固態(tài)激光雷達的關(guān)鍵技術(shù)“相控陣激光雷達技術(shù)”，正是創(chuàng)始人羅伊·艾爾達達（Louay Eldada）在哥倫比亞大學(xué)的博士研究課題。而另一位創(chuàng)始人于天越來自中國，曾是光伏企業(yè)Nanosolar的首席科學(xué)家。

目前，與Quanergy合作的企業(yè)有：谷歌、蘋果、IBM、博世、奧迪、福特、戴姆勒等。

M8

代表產(chǎn)品：

M8

它是一款具有成本效益的長距離LiDAR傳感器，能夠在動態(tài)情況下無處不在地使用智能傳感。

特點：

M8傳感器可在任何天氣下使用，憑借360°視野，每秒420,000點，長測量范圍，高精度和高分辨率。其采用了Multi-LiDAR Fusion，這是Quanergy專有的智能技術(shù)。

綜合評價：

與機械傳感器相比，Quanergy主打的固態(tài)激光雷達更小，更便宜。但是這一技術(shù)對于相關(guān)組件的尺寸要求很大，如何制造出如此大規(guī)模的器件，同時使它們能夠有效地運作成為一個系統(tǒng)，將是需要解決的最大問題。

3、Innoviz

總部：以色列

Innoviz成立于2016年初，是一個專注于雷達傳感器的初創(chuàng)公司，致力于量產(chǎn)級固態(tài)雷達傳感器研發(fā)，并為其硬件開發(fā)配套輔助產(chǎn)品。該公司的創(chuàng)始人和主要技術(shù)均來自以色列國防軍。

InnovizOne

代表產(chǎn)品：

InnovizOne

2017年，Innoviz發(fā)布了其旗艦級汽車LiDAR器件InnovizOne，一款成本經(jīng)濟、設(shè)計緊湊的固態(tài)LiDAR傳感器，能夠提供高清晰度3D掃描。

特點：

其具有高分辨率、長距離檢測、適應(yīng)不同陽光和天氣、低成本等特點。

綜合評價：

Innoviz雖然成立不到3年時間，但是Innoviz已經(jīng)與麥格納和安波福建立了戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，也可謂是后起之秀。

4、LeddarTech

總部：加拿大

LeddarTech于2007年在加拿大魁北克市成立，剝離自加拿大國家光學(xué)研究所，是全球唯一一家基于專利、前沿技術(shù)的高級探測與測距系統(tǒng)供應(yīng)商。

它主要為OEM主機廠、Tier 1供應(yīng)商、零部件&子系統(tǒng)供應(yīng)商、系統(tǒng)集成商提供LeddarCore IC傳感器技術(shù)，用于開發(fā)ADAS/AD解決方案中的激光雷達。2016年，LeddarTech對外公布了針對無人駕駛汽車的固態(tài)激光雷達IC路線圖。

Leddar M16

代表產(chǎn)品：

Leddar M16

其是16段固態(tài)LiDAR傳感器模塊，可同時為多個物體提供快速、連續(xù)、精準(zhǔn)的檢測和測距，并具有出色的橫向辨別能力。

特點：

它的探測范圍高達146米；有各種光束選項，用于優(yōu)化視野；快速數(shù)據(jù)采集速率高達100 Hz；免受環(huán)境光變化的影響；出色的堅固性，無移動部件等。

綜合評價：

除了自動駕駛汽車，LeddarTech的激光雷達還可用在無人機和工業(yè)自動化領(lǐng)域。

5、北科天繪

總部：北京

北科天繪成立于2005年，從2014年調(diào)查自動駕駛及機器人用激光雷達的市場潛力，2015年開始啟動導(dǎo)航型LiDAR技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)。

2016年5月發(fā)布16線360度導(dǎo)航LiDAR——R-Fans，R-Fans為16通道產(chǎn)品，俯仰視場為30度，測量距離1-100米，掃描儀總重800克。

A-Pilot機載激光雷達

代表產(chǎn)品：

A-Pilot

除了適用于汽車的激光雷達，北科天繪研制出A-Pilot機載激光雷達，是為了適應(yīng)我國多山地貌研制的航空測繪裝備，可搭載于無人機、固定翼，動力三角翼等多種飛行平臺上。

特點：

其具有測程遠；外設(shè)配套齊全；測量精度高；設(shè)備輕巧（AP-0300<4kg）；數(shù)據(jù)采集頻率高，每秒600,000個點；覆蓋航帶寬度大，可掃描視場角70°等特點。

綜合評價：

目前，北科天繪已能避免同一輛汽車上的多臺激光雷達之間的串?dāng)_這一問題。裝在不同汽車上、由不同廠家生產(chǎn)的激光雷達之間相互串?dāng)_，仍是北科天繪需要攻克的問題。

6、速騰聚創(chuàng)

總部：深圳

速騰聚創(chuàng)在2016年10月，推出了國內(nèi)首個應(yīng)用于無人駕駛汽車的16線混合固態(tài)激光雷達RS-LiDAR，測距100米，精度達到了2cm，垂直30度（±15度），實時出點數(shù)32萬點每秒。并進行了初期的路測，這也是國產(chǎn)激光雷達首次進行公開展示和測試。

本月，速騰聚創(chuàng)完成了總額超過3億元的戰(zhàn)略融資，據(jù)悉，這是全國激光雷達企業(yè)陣營中最大的一次單輪融資。

RS-LiDAR-32

代表產(chǎn)品：

RS-LiDAR-32

RS-LiDAR-32是速騰聚創(chuàng)（RoboSense）量產(chǎn)的32線混合固態(tài)激光雷達系列產(chǎn)品。

特點：

RS-LiDAR-32是基于車廠需求定制研發(fā)，專為滿足高速自動駕駛需求而設(shè)計的小型激光雷達，采用了中間密兩邊疏的激光頭布局設(shè)計，垂直測角40°，最小垂直角分辨率為 0.33°，讓32線取得比64線擁有更優(yōu)的探測效果，更加專注于車輛行駛區(qū)域的點云數(shù)據(jù)采集。

綜合評價：

解決了成本問題、性能難關(guān)，速騰聚創(chuàng)可能將會是下一個大疆。

7、思嵐科技

總部：上海

思嵐科技成立于2013年10月，前身為業(yè)內(nèi)具有較高知名度的PoboPeak團隊。他們主要產(chǎn)品是模塊化自主定位導(dǎo)航解決方案、低成本2D激光雷達和通用機器人移動平臺。

RPLIDAR A3

代表產(chǎn)品：

RPLIDAR A3

思嵐科技推出的第三款激光雷達，可完成360度全方位掃描，只有4cm的超薄外觀。

特點：

具有測量半徑25m；每秒16000次 ；室內(nèi)外均可使用等特點。

綜合評價：

光干擾可靠性一直是激光雷達出品的很重要品質(zhì)把控因素。經(jīng)過這幾年的努力，RPLIDAR A3已經(jīng)具有相對優(yōu)異的環(huán)境光抗擊能力。當(dāng)然，思嵐科技雷達產(chǎn)品的性能提升仍然有待提升。

8、禾賽科技

總部：上海

禾賽科技于2013年成立于美國硅谷圣何塞，2014年落戶上海。主營業(yè)務(wù)為自動駕駛激光雷達，激光天然氣遙測系統(tǒng)等。

禾賽Pandar40

代表產(chǎn)品：

禾賽Pandar40

去年，禾賽發(fā)布了用于自動駕駛的40線混合固態(tài)激光雷達Pandar40，改變了自動駕駛激光雷達行業(yè)被國際巨頭壟斷而且需要半年以上交貨周期的現(xiàn)狀。

特點：

150米距離、厘米級精度、高角分辨率（等效83線）、小體積。

綜合評價：

禾賽科技積累了多年開發(fā)激光遙測傳感器的經(jīng)驗，它的產(chǎn)品顯著低于國外競品的售價及交貨周期。

應(yīng)用領(lǐng)域

激光雷達不僅可以單獨使用，也能夠同微波雷達，可見光電視、紅外電視或微光電視等成像設(shè)備組合使用，使得系統(tǒng)既能搜索到遠距離目標(biāo)，又能實現(xiàn)對目標(biāo)的精密跟蹤。除了大眾所熟知的自動駕駛，激光雷達在很多領(lǐng)域也發(fā)揮著必不可少的作用。

1、城市三維建筑模型

“數(shù)字城市”是數(shù)字地球技術(shù)系統(tǒng)的重要組成部分，而表達城市主要物體的三維模型包括三維地形，三維建筑模型、三維管線模型。這些三維建筑模型是數(shù)字城市重要的基礎(chǔ)信息之一。

激光雷達技術(shù)可以快速完成三維空間數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過處理便可得到具有坐標(biāo)信息的影像數(shù)據(jù)。

2、大氣環(huán)境監(jiān)測

激光雷達由于探測波長短、波束定向性強，能量密度高，因此具有高空間分辨率、高的探測靈敏度、能分辨被探測物種和不存在探測盲區(qū)等優(yōu)點，已經(jīng)成為目前對大氣進行高精度遙感探測的有效手段。利用激光雷達可以探測氣溶膠、云粒子的分布、大氣成分和風(fēng)場的垂直廓線，對主要污染源可以進行有效監(jiān)控。

3、自動泊車技術(shù)

自動泊車系統(tǒng)一般在汽車前后四周安裝感應(yīng)器，這些感應(yīng)器既可以充當(dāng)發(fā)送器，也可以充當(dāng)接收器。它們會發(fā)送激光信號，當(dāng)信號碰到車身周邊的障礙物時會反射回來。然后，車載計算機會利用其接收信號所需時間確定障礙物的位置。

4、智能交通信號控制

在城市重要交通路口信號控制系統(tǒng)中集成一個地面三維激光掃描系統(tǒng)，通過激光掃描儀對一定距離的道路進行連續(xù)掃描，獲得這段道路上實時、動態(tài)的車流量點云數(shù)據(jù)，再進行數(shù)據(jù)處理獲得車流量等參數(shù)，根據(jù)對東西向和南北向車流量大小的比較以及短暫車流量預(yù)測，從而自動調(diào)節(jié)東西向和南北向信號燈周期。

結(jié)語

對于激光雷達，成本問題是其面臨的首要問題，也因此一些企業(yè)望而卻步。其次，技術(shù)需要不斷完善。不過，由上文提及的各大企業(yè)產(chǎn)品可以看出，小型化、固態(tài)化、低成本化是激光雷達的大勢所趨。