在自動(dòng)駕駛、智慧城市、機(jī)器人導(dǎo)航等眾多前沿科技領(lǐng)域，激光雷達(dá)（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(cè)能力，為各類智能系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的環(huán)境感知支持。本文將深入剖析激光雷達(dá)的技術(shù)方案與工作原理，帶您走進(jìn)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(cè)之旅

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

發(fā)射系統(tǒng)如同一位精準(zhǔn)的“光束使者”，負(fù)責(zé)發(fā)射出一束對(duì)人畜無(wú)害的紅外激光脈沖。這些激光脈沖以極快的速度射向周?chē)h(huán)境中的目標(biāo)物體。當(dāng)激光束遇到目標(biāo)物體時(shí)，會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，部分光束會(huì)沿著原路返回。

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

信號(hào)處理系統(tǒng)是整個(gè)過(guò)程的核心“大腦”，它會(huì)對(duì)接收到的電信號(hào)進(jìn)行細(xì)致入微的分析和處理。通過(guò)精確測(cè)量激光脈沖從發(fā)射到接收所經(jīng)歷的時(shí)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(biāo)距離，c是光速，t是飛行時(shí)間），就能夠準(zhǔn)確計(jì)算出目標(biāo)物體與激光雷達(dá)之間的距離。

不僅如此，激光雷達(dá)還能通過(guò)對(duì)反射信號(hào)的強(qiáng)度、頻率等特征進(jìn)行分析，獲取目標(biāo)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(guò)處理后，以點(diǎn)云的形式呈現(xiàn)出來(lái)。點(diǎn)云是由大量具有三維坐標(biāo)信息的點(diǎn)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?chē)h(huán)境的詳細(xì)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(dá)主要可分為機(jī)械式、半固態(tài)和固態(tài)三大類，每種類型都有其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。

機(jī)械式激光雷達(dá)：經(jīng)典且成熟的360°環(huán)繞掃描

機(jī)械式激光雷達(dá)是最早進(jìn)入市場(chǎng)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(guò)電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)光電結(jié)構(gòu)進(jìn)行360°高速旋轉(zhuǎn)。在這個(gè)過(guò)程中，多束激光同時(shí)發(fā)射，通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將點(diǎn)連成線，進(jìn)而形成三維點(diǎn)云。

機(jī)械式激光雷達(dá)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(cè)到的環(huán)境細(xì)節(jié)也就越豐富。同時(shí)，它還具有高測(cè)距的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確感知遠(yuǎn)距離的目標(biāo)物體。例如，一些應(yīng)用于自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的機(jī)械式激光雷達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛周?chē)h(huán)境全方位、高精度的感知，為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供可靠的環(huán)境數(shù)據(jù)支持。

然而，機(jī)械式激光雷達(dá)也存在一些明顯的不足。由于需要依賴旋轉(zhuǎn)部件來(lái)實(shí)現(xiàn)掃描，其結(jié)構(gòu)相對(duì)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(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致磨損，影響雷達(dá)的可靠性和使用壽命。

半固態(tài)激光雷達(dá)：穩(wěn)定與成本的平衡之選

半固態(tài)激光雷達(dá)是機(jī)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(shí)，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(dòng)，電機(jī)僅帶動(dòng)轉(zhuǎn)鏡進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，激光束被反射至空間的不同位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境的掃描探測(cè)。這種方案減少了可轉(zhuǎn)動(dòng)的部位，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，同時(shí)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(gè)通過(guò)車(chē)規(guī)認(rèn)證、成本可控，且能夠滿足車(chē)企性能要求并實(shí)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(dòng)的二維MEMS微振鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間的掃描測(cè)量。MEMS微振鏡是一種在硅基芯片上集成的微小反射鏡，通過(guò)控制微小的鏡面平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)在于不斷開(kāi)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(dá)的技術(shù)發(fā)展需求。

固態(tài)激光雷達(dá)：未來(lái)發(fā)展的終極形態(tài)

固態(tài)激光雷達(dá)被視為車(chē)載激光雷達(dá)的終極形態(tài)，它最大的特點(diǎn)是無(wú)任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)方式。它通過(guò)施加電壓調(diào)節(jié)每個(gè)相控單元的相位關(guān)系，利用相干原理，實(shí)現(xiàn)發(fā)射光束的偏轉(zhuǎn)，從而完成對(duì)空間一定范圍的掃描測(cè)量。OPA技術(shù)取消了機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，具有無(wú)慣性器件、精確穩(wěn)定、方向可任意控制等優(yōu)點(diǎn)。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(chǎng)通過(guò)光學(xué)天線發(fā)射，在空間遠(yuǎn)場(chǎng)相干疊加形成一個(gè)具有較強(qiáng)能量的光束；經(jīng)過(guò)特定相位調(diào)制后在光場(chǎng)的發(fā)射天線端產(chǎn)生波前的傾斜，從而在遠(yuǎn)場(chǎng)反映成光束的偏轉(zhuǎn)，通過(guò)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(jī)的工作模式，感光元件的每個(gè)像素點(diǎn)可以記錄光子飛行的時(shí)間信息，由此能夠輸出具有深度信息的“三維”圖像。不過(guò)，該技術(shù)目前存在視場(chǎng)角（FOV）受限、掃描速率較低等問(wèn)題，需要進(jìn)一步的技術(shù)突破來(lái)解決。

不同技術(shù)方案的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，主機(jī)廠選擇上車(chē)的激光雷達(dá)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(jī)械式激光雷達(dá)更易降低成本，同時(shí)與純固態(tài)（OPA、Flash）相比，技術(shù)相對(duì)成熟，更易實(shí)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(chǎng)需求。

例如，小鵬P5搭載的2顆激光雷達(dá)來(lái)自大疆Livox定制版車(chē)規(guī)級(jí)Horiz浩界，采用了雙棱鏡掃描方案，最大探測(cè)距離為150m（@10%反射率），橫向視場(chǎng)角120度，角分辨率為0.16°×0.2°，點(diǎn)云密度等效于144線激光雷達(dá)，為車(chē)輛的自動(dòng)駕駛功能提供了強(qiáng)大的環(huán)境感知能力。

從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，固態(tài)激光雷達(dá)憑借其體積小、穩(wěn)定性高、成本低等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是未來(lái)的主流發(fā)展方向。目前，全球眾多企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)都在加大對(duì)固態(tài)激光雷達(dá)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(dá)引入商業(yè)視野，正研發(fā)適用于車(chē)內(nèi)傳感系統(tǒng)和無(wú)人駕駛汽車(chē)的全固態(tài)激光雷達(dá)。我國(guó)的鐳神智能、北科天繪、速騰聚創(chuàng)、禾賽科技等企業(yè)也開(kāi)始在MEMS激光雷達(dá)領(lǐng)域展開(kāi)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(dá)領(lǐng)域不斷推出新產(chǎn)品。

然而，要實(shí)現(xiàn)全固態(tài)、小型化、高性能激光雷達(dá)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(jìn)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(chǎng)角和掃描速率問(wèn)題等。

激光雷達(dá)作為一種先進(jìn)的激光探測(cè)傳感器，憑借其獨(dú)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(jìn)步和創(chuàng)新，相信激光雷達(dá)將在未來(lái)為我們帶來(lái)更多的驚喜和變革，推動(dòng)智能科技邁向新的高度。

審核編輯 黃宇