近一年來(lái)激光雷達(dá)在車圈非?；穑钶d它的車型也越來(lái)越多，尤其是新勢(shì)力們的新車型，仿佛不穿一串兒都沒(méi)臉見(jiàn)人似的。那么車載激光雷達(dá)有什么用？車載激光雷達(dá)如何分類？

它相當(dāng)于無(wú)人駕駛的眼睛，具有強(qiáng)大的信息感知和處理能力。目前，主要作用于自動(dòng)駕駛上，也就是未來(lái)的無(wú)人駕駛。它在汽車上主要以多線束為主，可以起到幫助汽車感知道路環(huán)境，自行規(guī)劃行車路線，并控制車輛達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的作用。比如根據(jù)激光遇到障礙物后的折返時(shí)間，計(jì)算目標(biāo)與自己的相對(duì)距離，從而可以幫助車輛識(shí)別路口與方向。

1607年，伽利略做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，目的倒不是測(cè)距，而是測(cè)量光速。他的實(shí)驗(yàn)方法非常簡(jiǎn)單粗暴：他讓兩個(gè)人各帶一盞蓋著燈罩的煤油燈，跑到兩個(gè)山頭上待命。

兩人就位后，甲會(huì)快速拽走燈罩，讓煤油燈露出光芒，這也是在給另一個(gè)山頭上的乙發(fā)信號(hào)。而在看到從甲那邊傳來(lái)的燈光時(shí)，乙也要快速拽走燈罩，讓自己的燈也露出光芒，相當(dāng)于告訴甲“我已收到信號(hào)”。

伽利略的想法是好的，只要知道甲最先拽走燈罩的時(shí)間點(diǎn)，再知道甲看到對(duì)面山頭燈光亮起的時(shí)間點(diǎn)，那么山頂間距的兩倍除以時(shí)間差就是光速。

這樣“天真”的辦法顯然是無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)出光速的，不過(guò)現(xiàn)在的人類早已知道光速有多快，也能通過(guò)先進(jìn)的設(shè)備和手段測(cè)算出一束光線從射出到返回之間的時(shí)差，進(jìn)而推算出光源和反射面之間的距離。而這，就是激光雷達(dá)的測(cè)距原理，它利用的還是當(dāng)年伽利略的方法。

根據(jù)結(jié)構(gòu)，激光雷達(dá)分為機(jī)械式激光雷達(dá)、固態(tài)激光雷達(dá)和混合固態(tài)激光雷達(dá)。

1.機(jī)械式激光雷達(dá)

機(jī)械激光雷達(dá)，是指其發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)存在宏觀意義上的轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將速度更快、發(fā)射更準(zhǔn)的激光從“線”變成“面”，并在豎直方向上排布多束激光，形成多個(gè)面，達(dá)到動(dòng)態(tài)掃描并動(dòng)態(tài)接收信息的目的。

以Velodyne生產(chǎn)的第一代機(jī)械激光雷達(dá)（HDL-64E）為例，豎直排列的激光發(fā)射器呈不同角度向外發(fā)射，實(shí)現(xiàn)垂直角度的覆蓋，同時(shí)在高速旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)殼體帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)水平角度360度的全覆蓋。因此，HDL-64E在汽車行駛過(guò)程中，就一直處于360度旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中。

因?yàn)閹в袡C(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，所以機(jī)械激光雷達(dá)外表上最大的特點(diǎn)就是自己會(huì)轉(zhuǎn)，個(gè)頭較大。

如今機(jī)械激光雷達(dá)技術(shù)相對(duì)成熟，但價(jià)格昂貴，暫時(shí)給主機(jī)廠量產(chǎn)的可能性較低；同時(shí)存在光路調(diào)試、裝配復(fù)雜，生產(chǎn)周期漫長(zhǎng)，機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件在行車環(huán)境下的可靠性不高，難以符合車規(guī)的嚴(yán)苛要求...等不足。

當(dāng)前的激光雷達(dá)戰(zhàn)場(chǎng)，機(jī)械旋轉(zhuǎn)式方案占據(jù)著絕對(duì)的統(tǒng)治地位，目前除了美國(guó)Quanergy以外，各大主流的激光雷達(dá)供應(yīng)商都是以機(jī)械旋轉(zhuǎn)式的產(chǎn)品線為主，并以此為基礎(chǔ)不斷推進(jìn)更高線數(shù)產(chǎn)品的迭代。比如做激光雷達(dá)起步最早、做的最大的Velodyne，主攻的就是機(jī)械激光雷達(dá)，其機(jī)械激光雷達(dá)目前可做到128線，性能非常強(qiáng)悍。

2.混合固態(tài)激光雷達(dá)

2016年1月的CES消費(fèi)電子展會(huì)上，Velodyne展示了“混合固態(tài)超級(jí)冰球”（Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto），由此引入了混合固態(tài)激光雷達(dá)的概念。

機(jī)械式激光雷達(dá)在工作時(shí)發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)會(huì)一直360度地旋轉(zhuǎn)，而混合固態(tài)激光雷達(dá)工作時(shí)，單從外觀上是看不到旋轉(zhuǎn)的，巧妙之處是將機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件做得更加小巧并深深地隱藏在外殼之中。

業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，混合固態(tài)激光雷達(dá)指用半導(dǎo)體“微動(dòng)”器件（如MEMS掃描鏡）來(lái)代替宏觀機(jī)械式掃描器，在微觀尺度上實(shí)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射端的激光掃描方式。MEMS掃描鏡是一種硅基半導(dǎo)體元器件，屬于固態(tài)電子元件；但是MEMS掃描鏡并不“安分”，內(nèi)部集成了“可動(dòng)”的微型鏡面；由此可見(jiàn)MEMS掃描鏡兼具“固態(tài)”和“運(yùn)動(dòng)”兩種屬性，故稱為“混合固態(tài)”。

對(duì)于激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，MEMS最大的價(jià)值在于：原本為了機(jī)械式激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)掃描，必須使激光發(fā)射器轉(zhuǎn)動(dòng)。而MEMS微機(jī)電系統(tǒng)可以直接在硅基芯片上集成體積十分精巧的微振鏡，由可以旋轉(zhuǎn)的微振鏡來(lái)反射激光器的光線，從而實(shí)現(xiàn)掃描。

這樣一來(lái)，激光雷達(dá)本身不用再大幅度地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可以有效降低整個(gè)系統(tǒng)在行車環(huán)境出現(xiàn)問(wèn)題的幾率。另外，主要部件運(yùn)用芯片工藝生產(chǎn)之后，量產(chǎn)能力也得以大幅度提高，有利于降低激光雷達(dá)的成本，可以從上千乃至上萬(wàn)美元降低到數(shù)百美元。

老牌激光公司日本先鋒，利用原本用于掃描激光影碟的光學(xué)頭，來(lái)生產(chǎn)MEMS激光雷達(dá)。該公司曾表示“當(dāng)訂單達(dá)到100萬(wàn)，先鋒便可以把價(jià)格控制在100美元以下，預(yù)計(jì)會(huì)在2019年開(kāi)始量產(chǎn)?！?/p>

3.固態(tài)激光雷達(dá)：OPA與Flash固態(tài)激光雷達(dá)

相比于機(jī)械式激光雷達(dá)，固態(tài)激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)上最大的特點(diǎn)就是沒(méi)有了旋轉(zhuǎn)部件，個(gè)頭相對(duì)較小。

固態(tài)激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)包括了：數(shù)據(jù)采集速度快，分辨率高，對(duì)于溫度和振動(dòng)的適應(yīng)性強(qiáng)；通過(guò)波束控制，探測(cè)點(diǎn)（點(diǎn)云）可以任意分布，例如在高速公路主要掃描前方遠(yuǎn)處，對(duì)于側(cè)面稀疏掃描但并不完全忽略，在十字路口加強(qiáng)側(cè)面掃描。而只能勻速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械式激光雷達(dá)是無(wú)法執(zhí)行這種精細(xì)操作的。

從使用的技術(shù)上，固態(tài)激光雷達(dá)分為OPA固態(tài)激光雷達(dá)和Flash固態(tài)激光雷達(dá)。

（1）OPA固態(tài)激光雷達(dá)

OPA（optical phased array）光學(xué)相控陣技術(shù)。對(duì)軍事有所了解的讀者，應(yīng)該會(huì)知道相控陣?yán)走_(dá)，美海軍宙斯盾艦上那一塊蜂窩狀的“板子”就是它。

而光學(xué)相控陣使用的即是原理相同的技術(shù)。OPA運(yùn)用相干原理（類似的是兩圈水波相互疊加后，有的方向會(huì)相互抵消，有的會(huì)相互增強(qiáng)），采用多個(gè)光源組成陣列，通過(guò)控制各光源發(fā)光時(shí)間差，合成具有特定方向的主光束。然后再加以控制，主光束便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向的掃描。

相對(duì)于MEMS，這一技術(shù)的電子化更加徹底，它完全取消了機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射陣列中每個(gè)發(fā)射單元的相位差來(lái)改變激光的出射角度。

因?yàn)闆](méi)有任何機(jī)械結(jié)構(gòu)，自然也沒(méi)有旋轉(zhuǎn)。所以相比傳統(tǒng)機(jī)械式雷達(dá)，OPA固態(tài)激光雷達(dá)有掃描速度快、精度高、可控性好、體積小等優(yōu)點(diǎn)。但也易形成旁瓣，影響光束作用距離和角分辨率，同時(shí)生產(chǎn)難度高。

比如Quanergy研發(fā)的“固態(tài)”Solid State激光雷達(dá)，就是OPA激光雷達(dá)，其滿足了激光雷達(dá)小型化的大趨勢(shì)，整個(gè)尺寸只有90mmx60mmx60mm。用到的核心的技術(shù)有光學(xué)相控陣列Optical Phased Array、光學(xué)集成電路Photonic IC、遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖Far Field Radiation Pattern，完全沒(méi)有機(jī)械固件。

（2）Flash固態(tài)激光雷達(dá)

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(lái)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固態(tài)雷達(dá)的一大優(yōu)勢(shì)是它能快速記錄整個(gè)場(chǎng)景，避免了掃描過(guò)程中目標(biāo)或激光雷達(dá)移動(dòng)帶來(lái)的各種麻煩。不過(guò)，這種方式也有自己的缺陷，比如探測(cè)距離較近。

卡耐基梅隆大學(xué)機(jī)器人專家Sanjiv Singh認(rèn)為：

“像素越大，你要處理的信號(hào)就越多。將海量像素塞進(jìn)光電探測(cè)器，必然會(huì)帶來(lái)各種干擾，其結(jié)果就是精度的下降?！?/p>

這意味著Flash固態(tài)激光雷達(dá)沒(méi)有“遠(yuǎn)視眼”，在實(shí)際使用中不適合遠(yuǎn)程探測(cè)，而業(yè)內(nèi)專家堅(jiān)信，全自動(dòng)駕駛汽車上搭載的激光雷達(dá)至少一眼就得看到200到300米外的物體。

其實(shí)Flash固態(tài)激光雷達(dá)的成本還是相對(duì)低，但基于3D Flash技術(shù)的固態(tài)激光雷達(dá)，在技術(shù)的可靠性方面還存在問(wèn)題。

相比于機(jī)械激光雷達(dá)，MEMS激光雷達(dá)體積更小，價(jià)格更低廉，更適合大規(guī)模應(yīng)用；同時(shí)相比于OPA和Flash，MEMS在技術(shù)上更容易實(shí)現(xiàn)。因此，MEMS被各大主機(jī)廠商一致看好，近些年入局MEMS激光雷達(dá)研究的企業(yè)很多。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，未來(lái)，中遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)將是MEMS固態(tài)的天下。