自动驾驶系列7：激光雷达详解！原理分类品牌车型汇总 

　　激光雷达的“军备竞赛”，已悄然打响。这个自动驾驶进阶的主要硬件，已被越来越多的车企所应用，其扮演的角色也越来越重要，伴随大量资本的注入，让激光雷达成为了自动驾驶这场“战争”的导火索。

　　下面我对车载激光雷达的分类、工作原理为大家做个说明，并介绍一些目前搭载激光雷达车型，如果你对热门科技感兴趣，或想买高阶自动驾驶车型，可以做个参考。

　　定义：车载激光雷达又称车载三维激光扫描仪，是一种移动型三维激光扫描系统，也是城市建模最有效果的工具之一。主要由发射系统、接收系统、信息处理三部分组成，基本原理就是将三维激光扫描仪+POS系统装在车上，可以更长、更远范围内建立3D模型。

　　在激光雷达量产落地引发竞逐的同时，业界对于自动驾驶技术路线却仍存争议。部分观点认为，摄像头在数据形式和精度上不足，自动驾驶感知层面需要补充激光雷达；另一部分观点则认为，激光雷达不必要，且过于昂贵。特斯拉CEO马斯克更是曾表示“激光雷达免费都不会用”，想从算法上解决视觉信息的处理问题。

　　我为大家梳理一下，首先特斯拉做的自动驾驶，是要低成本实现商业化，视觉方案可以达到他的目标，所以目前特斯拉的现在的宣传口径没有问题，而特斯拉也在偷偷地测试激光雷达。

　　国内造车新势力，初衷就是为了更高级别的自动驾驶，所以直接使用上了最高端传感器——激光雷达。虽然现在的方案有分歧，但激光雷达的目标检测，定位建图都是视觉无法替代的，到了L3、L4级别自动驾驶，激光雷达是不可避免的搭载，所以未来的殊途同归是必然。

　　2021年被称为激光雷达的元年，如今经过这两年的发展，实现搭载的品牌越来越多，像蔚来、小鹏、威马、智己、极狐等。激光雷达可以说，是实现更高级别自动驾驶（L3级别以上），以及更高安全性的良好途径，相比于毫米波雷达，激光雷达的分辨率更高、稳定性更好、三维数据也更可靠。

　　现在的L2级自动驾驶硬件大多由摄像头+毫米波雷达+超声波雷达组成。摄像头的优势在于识别清晰，但人眼遇到的强光、天黑、眼盲等问题，摄像头同样有；超声波雷达就是我们常说的倒车雷达，成本非常低，但测量距离短，容易受到天气干扰，只在车速慢时有优势；毫米波雷达就是无线电波雷达，穿透烟雾能力强，可以很好的弥补摄像头的不足，多用于盲点监测、变道辅助，不惧怕强光、适应恶略天气、分辨率可达5cm，但判断精度相对差些，行车时效果更是大打折扣（特斯拉执着使用此雷达+摄像头的组合）。

　　根据发生器的不同可以产生紫外线nm）到红外线（nm）波段内的不同激光，相应的用途也各不相同。激光是一种单一颜色、单一波长的光，激光雷达选用的激光波长一般不低于850nm，以避免可见光对人眼的伤害，而目前主流的激光雷达主要有905nm和1550nm两种波长。905nm探测距离受限，采用硅材质，成本较低；1550nm探测距离更远，采用昂贵的铟镓砷（InGaAs）材质，激光可被人眼吸收，故可做更远的探测光束。

　　激光雷达（Lidar）光束范围很窄，所以需要更多的纵向光束，以覆盖大的面积，所以线束决定着画面大小，扫描再通过返回的时间测量距离，并精准、快速构建模型，相比目前的其他雷达强太多，所以更适合自动驾驶系统，但也同样易受天气影像，成本较高。

　　激光雷达可以提供精准的3D测量数据，在相对苛刻的天气和光照条件下可以更好的完成工作。激光雷达可以与毫米波雷达，摄像头等传感器数据结合，为车辆在行驶环境中提供静态和动态物体的可靠识别数据，有助于障碍物检测、避免碰撞和安全导航，并且激光雷达是一个高度可用、可量产的解决方案。具体优势：

　　（1）分别率及精度：在车辆自动行驶中，产生大量的可靠测量数据，精确到厘米级别，清晰识别物体；

　　（2）工作环境：受外界环境变化干扰小，能够适应恶劣的天气和光线下正常工作，保障车辆自动行驶过程中的安全；

　　（3）反应速度：发射光脉冲通过往返时间计算距离，周围行人和物体皆可探测，实时感知四周环境，做出及时判断。

　　传统的机械旋转激光雷达技术最早也最成熟，由于体积较大，所以装备困难，在车载应用方面却几乎无法实现车规级验证，现在沦落为测试车专用了；纯固态激光雷达是未来发展方向，目前还不成熟、批量生产较为困难；半固态激光雷达能以较低的成本和较高的准确度实现扫描，目前相对成熟，是快速通过车规认证的技术方案，半固态雷达目前极为适合装车需求。

　　车载激光雷达之间，按结构不同大致可以分为：机械旋转激光雷达，混合半固态激光雷达和全固态激光雷达（Flash快闪和OPA相控阵，统称为非扫描式）：

　　1、机械式激光雷达体积大、成本较高、装配难。它通过旋转实现横向360度的覆盖面，通过内部镜片实现垂直角度的覆盖面，同比有着更耐用稳定的特点，所以我们看到的自动驾驶路试车大多采用这种类型，雷达在车顶不停的在旋转完成横向扫描，靠增加激光束，实现纵向宽泛的扫描。

　　2、半固态激光雷达是目前车载的主流产品。按照扫描方式，有如下分类：硅基MEMS、转镜、振镜+转镜、旋转透射棱镜。

　　（1）转镜：转镜分为一维转镜和二维转镜。一维转镜通过旋转的多面体反射镜，将激光反射到不同的方向；二维转镜顾名思义内部集成了两个转镜，一个多边棱镜负责横向旋转，一个负责纵向翻转，实现一束激光包揽横纵双向扫描。转镜激光雷达体积小、成本低，与机械式激光雷达效果一致，但机械频率也很高，在寿命上不够理想。

　　（2）MEMS：通过“振动”调整激光反射角度，实现扫描，激光发射器固定不动，但很考验接收器的能力，而且寿命同样是行业内的重大挑战。支撑振镜的悬臂梁角度有限，覆盖面很小，所以需要多个雷达进行共同拼接才能实现大视角覆盖，这就会在每个激光雷达扫描的边缘出现不均匀的畸变与重叠，不利于算法处理。另外，悬臂梁很细，机械寿命也有待进一步提升。

　　（3）振镜+转镜：在转镜的基础上加入振镜，转镜负责横向，振镜负责纵向，满足更宽泛的扫射角度，频率更高价格相比前两者更贵，但同样面临寿命问题。

　　振镜+转镜式激光雷达，我们可以理解为二维转镜负责纵向扫描的转镜，换为振镜

　　（4）棱镜：棱镜激光雷达也称为双楔形棱镜激光雷达，内部包括两个楔形棱镜，激光在通过第一个楔形棱镜后发生一次偏转，通过第二个楔形棱镜后再一次发生偏转。控制两面棱镜的相对转速便可以控制激光束的扫描形态。

　　棱镜激光雷达累积的扫描图案形状像花瓣，中心点扫描次数密集，圆的边缘则相对稀疏，扫描时间持久才能丰富图像，所以需要加入多个激光雷达共工作，以便达到更高的效果。棱镜可以通过增加激光线束和功率实现高精与长距离探测，但结构复杂、体积更难控制，轴承与衬套磨损风险较大。

　　3、全固态激光雷达很理想，目前难以量产。顾名思义此激光雷达没有任何机械摆动结构，自然也没有旋转。将机械化的激光雷达芯片化，体型更小、性能更好、寿命更可靠，但逃脱不了摩尔定律的轨道，目前有两种方式。

　　（1）OPA固态激光雷达完全没有摆动固件，利用多个光源组成阵列，合成特定方向的光束，实现对不同方向的扫描。具有扫描速度快、精度高、可控性好、体积小（Quanergy激光雷达只有90x60x60mm）等优点，缺点是易形成旁瓣，影响光束作用距离和角分辨率，同时生产难度高。

　　（2）Flash固态激光雷达，也可以说是非扫描式，它可以在短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光，利用光阵构建图像，就像是照相机，快速记录整个场景，减少了没有了转动与镜片磨损，相对更为稳定，不过缺陷也很明显，比如探测距离较近，对处理器要求较高，相对应成本也高。

　　自动驾驶是未来的趋势，目前市面上量产的仍然是L2级别自动驾驶，目前没有任何一款具备L3级别自动驾驶的车辆上路，L3级别不需要驾驶员对路况进行实时监控，只需要在系统提醒时接管车辆，L3才是真正解放双手的科技级别。

　　激光雷达的分辨率更高、体积小、质量轻、抗干扰能力相对强、低空探测性能好等众多优势，可以为自动驾驶带来质的提升。相比于视觉路线以及其他雷达传感器，激光雷达可以说是实现更高级别自动驾驶的捷径。

　　尽管国外激光雷达市场发展较早，但目前国内激光雷达市场已经开始呈现百花齐放的局面，不少初创企业在机械雷达方面较为领先，并向固态雷达发展。

　　在目前技术条件下，激光雷达是实现L3 自动驾驶技术的捷径。L3智能驾驶汽车在2021年批量发布，有望带动激光雷达在2022年实现规模量产。未来随着量产激光雷达成本的降低，出于安全考虑激光雷达有望成为中高端汽车标配，车载激光雷达市场规模有望进一步扩大。

　　据相关咨询公司预测，至2025年全球激光雷达市场规模为135.4亿美元（破百亿），较2019年可实现64.5%的年均复合增长率。其中，中国激光雷达市场规模将达到43.1亿美元，较2019年实现63.1%的年均复合增长率。

　　激光雷达在应用中也存在着不足。比如，大雾和大雨会减弱激光信号的强度，精度会下降，并且现在的激光雷达的点云是基于几何呈现的，虽然能分辨出形状，却不能辨别颜色和纹理等，这意味着激光雷达还无法区分纸袋和石头的不同。

　　为了改善激光雷达的缺陷，所以车辆在自动驾驶的感知层面还加入了摄像头。有分析认为，摄像头的高分辨率和激光雷达的精准测距，恰好互为补充。相比于依靠摄像头的纯视觉感知，激光雷达与摄像头融合，带来信息获取能力的提升，算法要求得以降低，行驶安全也会多一份保障。

　　自动驾驶一定是未来出行的主流，激光雷达是自动驾驶汽车的一双“眼睛”，在不远的未来会成为每辆智能汽车的标配。激光雷达要想成为“车规”级产品，必须要同时满足“成本够低”、“可靠”以及“可量产”三个重要条件。

　　长城WEY摩卡、上汽飞凡R7、哪吒S、蔚来ET5、埃安LX Plus、沙龙机甲龙、奥迪A8、奔驰EQS、长安放舟架构、本田Legend、沃尔沃XC90、Lucid Air等。

　　不管怎样，目前激光雷达是自动驾驶进阶的最佳选择，半固态激光雷达是当下，纯固态激光雷达是未来，不排除随着技术的发展还有更好的替代产品出现，但目前看这已是我们所能看到的边际了。至于，活在当下的半固态激光雷达中哪个是主力，这就要看谁更能满足“成本够低”、“可靠”、“可量产”这三个重要条件了。

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