激光雷达的结构和分类

在蔚来ET7的发布会上，李斌特别指出，ET7搭载了1550nm的激光雷达。小鹏P5搭载的两颗大疆览沃车规级激光雷达在ROI区域积分时间0.1秒下，能等效144线。极狐阿尔法S HI版搭载的华为的车规版激光雷达等效96线。前面的文章已经分别介绍了激光雷达在自动驾驶感知硬件中的优劣，分析了激光雷达为什么会火以及激光雷达在自动驾驶上的应用史。这次我们回归到激光雷达本身，聊一聊激光雷达的结构和分类，以及除了自动驾驶激光雷达在更多领域的应用。之前有聊到1992年三菱推出了第三代Debonair车型配备的单线固定视线激光雷达，以及在第一届DARPA无人驾驶挑战赛上单线固定视线激光雷达，对Velodyne创始人大卫霍尔发明机械旋转式激光雷达的启发作用。单线固定视线激光雷达是最简单的激光雷达，可以理解为一个激光测距仪，由激光发生器发出一道激光，经目标物体反射被激光接收器捕获，通过计算就能得出与目标物体的距离。这里同样涉及到了激光雷达的四要素：

光源
光束操纵方式
测距方式
接收器

首先是光源。激光的全称是受激辐射放大，利用原子中电子的能量跃迁激发出单色平行的激光，因此不同的光源可以产生不同波段的激光。激光发生器可以简单的归类为固体、气体、半导体激光器。人类最早制造激光利用的红宝石就是固体激光器，固体激光器因为体型小、散热快、价格低等优势被广泛关注。气体激光器主要利用惰性气体或二氧化碳等，气体激光器普遍体型较长，在需要小型化的车载激光雷达中并不适用。半导体激光雷达最明显的特点是体积小、质量轻、结构紧凑。固体或气体激光器长度会去到几厘米甚至到几米，但半导体激光器甚至不足1mm。半导体激光器发光原理采用的是电激发，而无需光泵，因此应用的领域也最为广泛。不过半导体激光器也会有功率较低、方向性较差等问题。

图1. 气体激光雷达图2. 固体激光雷达

激光光源本身已经很成熟，大家对于光源的讨论并不算很多，激光操纵方式却是热门的话题。早期的激光雷达在汽车上的应用只能扫描固定的方向，也就是没有操控。Velodyne创始人大卫霍尔将64组激光收发装置整合在了一个可旋转的柱状结构内，发明了64线机械式激光雷达，通过旋转就可以扫描周遭360°的环境信息，这也是最早的机械旋转式激光雷达。机械旋转式激光雷达的发明大大推进了自动驾驶的发展。在第三届DARPA无人驾驶挑战赛上更是统治了排行榜，但是它实在太贵了，几十甚至上百组激光收发器的成本没法压缩。另外在车顶上的激光雷达不仅影响美观、增加风阻，而且不断转动的结构也很难通过严苛的车规级验证。很长一段时间内，激光雷达都只被应用在实验性质的测试车上。怎么才能在量产车上应用激光雷达？首先当然是消灭掉活动部件，这样才能保证在日晒雨淋的行车环境中激光雷达不会出问题，纯固态激光雷达应运而生。

图3. 固体激光雷达图4. 机械旋转雷达

纯固态激光雷达主流采用的是Flash技术。它不再是一道激光来回扫描得到点云，而是像拍照一样，向前方一个区域内射出一片发射的激光。成本和车规级验证都没有问题，但探测距离变得很短，并且成像精度也不够高，所以在一些低速自动驾驶小车上足够实用，高速的乘用车上就显得不够用了。另一种是OPA光学相控阵技术。光和电磁波都具有波的特性，利用波之间的干涉，不需要任何活动的机械结构，相控阵技术就能让电磁波或激光实现扫描的效果。但相控阵之所以在军事领域发光发热，一是足够技术先进，一是价格高昂限制了在民用市场的普及。OPA光学相控阵激光雷达同样价格不菲，并且量产难度很高，目前距离实用还有距离。于是，大家又想到了折中的方式，尽量减少活动的机械部件，但又不完全取消，这就是混合固态激光雷达。世界上首款通过车规级验证的激光雷达就是法雷奥研发的混合固态激光雷达，它将激光收发模组固定，在前方布置了两面镜子，通过转动镜子将激光反射出去，实现了扫描的效果。虽然只能扫描前方一定的角度，但对于自动驾驶前方是最重要的，而且也可以通过布置多组激光雷达，实现更大的扫描范围，这种技术叫做转镜激光雷达。奥迪A8搭载的就是法雷奥的4线激光雷达，只有4线。相较Velodyne的64线，甚至128线能力相差了很多。于是有人在一维转镜的基础上增加了俯仰的转动，这样一条激光就可以扫描多个平面，也被称为二维转镜激光雷达。华为的等效96线激光雷达用的就是二维转镜的技术，因为并不是真的配了96组激光收发模组，但通过镜面配合可以扫描96个平面，最终实现的效果就是等效96线了。而另一种方案是将镜面缩小，变成一个个很小的小镜片，通过小镜片的振动同样可以实现多行扫描的效果。功耗和体积还能进一步缩小，这就是MEMS微振镜激光雷达。而大疆览沃用的是另一种方案——棱镜，将两个有些斜面的柱状镜头的组合可以利用光的折射控制激光的扫描方向，最终扫描出一个花瓣状的区域，调整两个棱镜转速和可以控制扫描的区域。理论上，扫描的时间足够久，棱镜激光雷达是可以扫描出前方每一个点的距离的。小鹏P5配备的两颗大疆览沃车规级激光雷达。在行车正前方是两个激光雷达扫描范围的重合区域，这个区域也是小鹏P5的ROI区域（感兴趣区域）。在0.1秒的时间内两颗棱镜激光雷达的扫描效果，与144线的机械式激光雷达接近，这就是前面提到的ROI区域内积分时间0.1s下等效144线。棱镜激光雷达扫描区域中央点云密集，而边缘会相对稀疏，并且控制棱镜转动也是个难度较高的工艺。目前真正实现量产的仅大疆览沃。随着激光雷达的参与者增多，混合固态激光雷达的方案也逐渐多样化，出现将多个方案组合的新方案。蔚来ET7配备的图达通车规级激光雷达采用的就是振镜+棱镜的方案，可以实现等效300线的效果。

接下来是测距方式。激光雷达测距主要有ToF飞行时间法和空间几何法。常说的ToF是dToF直接飞行时间法，就是计算激光发出到被接收的时间。这种激光雷达发出的激光是一段一段的，也叫脉冲激光。因为光速太快，所以dToF对精度要求高、成本也相对较高。不过dToF性能表现稳定，也是目前主流的车载激光雷达方案。另一种叫iToF间接飞行时间法，通过对连接激光进行幅度调制，测定调制光返回的时间进行测距，也叫相位式激光测距。在一定的距离内iToF精度更高，成本也更低，但输出频率较dToF低，并且随着距离的增加精度也会变低。空间几何法主流的是三角测距，激光以一定的角度发出，接收器呈长条形，在已知发射角度和发射点与接收点的距离的情况下，可以计算出被测物体的距离。三角测距成本低，但精度有限，在测距领域应用广泛。

图5. TOF测距原理

图6. 三角测距法原理

最后就是接收器了，虽然决定激光波长的是光源，但更要考虑接收器的可接收波长。目前最常见的车载激光雷达使用的是905nm的激光。因为接收器可以采用硅材质，价格相当实惠。不过人眼可感知的可见光波长在400-780nm，905nm的激光雷达因为与可见光波长比较接近，因此必须将功率限制在较低的范围，避免对人造成伤害。另一种常见的车载激光雷达波长是1550nm，蔚来ET7使用的就是这种波长。因为距可见光范围更远，因此可以使用更大的功率，探测距离也能相应增加。但1550nm的接收器必须使用铟镓砷材料，价格远超硅材料接收器的905nm激光雷达。除了作为自动驾驶汽车的感知硬件，激光雷达还是高精度地图测绘必不可少的工具。测绘本身就是激光雷达最初应用的领域，根据载体的不同还可以分为固定、手持、车载、机载、星载激光雷达等。车载激光雷达对道路的测绘能最大限度地保证高精度地图地精度，并且车道线、路牌标识等，反光率与道路等不同，激光雷达在监测车道线、标识等方面甚至优于摄像头。目前在自动驾驶方面也有采用激光雷达，实现车道保持等功能的方案。而未来辅助自动驾驶的另一大利器C-V2X也在大力发展路基激光雷达，相比传统的摄像头，可以探测更丰富的路况细节信息，也能更好的辅助自动驾驶。

如今，iPhone、iPad等电子消费品可以开始配上了激光雷达，用手机就能实现室内三维建模，未来也可能发挥出更有想象力的功能，比如辅助VR游戏等。而扫地机器人、酒店送餐机器人等等目前也普遍配备了激光雷达。未来激光雷达改变的可能不止自动驾驶，也会出现在我们生活的方方面面。

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