激光雷达全面分（二）：五大关键技术，发射扫描，光束控制

随着无人驾驶热度逐渐上升，激光雷达相关新闻扑面而来，这项技术虽然已应用多年，但在无人驾驶领域并不成熟，目前公开的技术资料不多，也很零碎。

汽车人参考计划在春节期间，用万字长文，共四个篇章全面系统分析激光雷达，本文为技术篇，主要包含激光雷达的关键技术，技术路线，分类以及一个视频。激光雷达基础篇请点击激光雷达干货全面分析（一）：最大优势，四大系统，八个指标。之后两篇为产业篇和市场篇，欢迎继续关注后续更新。

4. 五大关键技术

新闻媒体对于激光雷达的分类和表述可谓是五花八门，机械、固态、MEMS、OPA、Flash、FMCW、飞行时间法等等，这些称谓常常让圈内圈外的人士感到蒙圈。实际上，经过仔细整理，可以把这些技术分为以下五个大类，它们也组成了激光雷达的五大关键技术。

4.1 测距：与时间是否有关

所谓测距，即测量距离，目前有两种方法，一种是基于时间的测量方法，飞行时间法（time of flight，TOF），一种是不基于时间的测距法。

其中，基于时间测试法有脉冲式和三角式两种；而不基于时间测据法采用相位式；

脉冲式，也称为直接式，如下公式：

D = c ×t / 2

D为测量距离，c为恒定的光速，t激光往返时间，脉冲式的工作原理十分简单，恒定速度乘以时间等于距离，由于是往返，所以除以2。

三角式，也称为间接式，将光源、被测物、接收系统三点组成一个三角形光路，接收系统接收来自于被测物面的散射光，并将其成像在光电探测器敏感面上，通过光点在敏感面上的位移，从而计算出被测物的移动距离。

三角式结果较简单，测试速度快，但对器件灵敏性要求高，主要应用在微位移测量，比如物体表面轮廓、宽度、厚度等。

以上两种方法需要直接测量激光往返时间，难度较高，精确度也低。因此有了相位式的测试方法。

相位式不以时间为基准，而是将一调制信号对激光光强进行调制，通过测量相位差来间接测量往返时间。公式如下：

D = A / 2 ×B / (2 π)

D为距离，B为激光往返一次所产生的相位差，A为调制信号的波长，A/2称为测尺，即相位变化为2π时所对应的距离。

相位式适应于中短距离的测量，是目前测距精度最高的一种方式。

除了根据相位差来确定距离，还有一种方式是采用调频连续波（FMCW），通过比较反射信号与发射信号频率的方法来得到目标的距离信息。

4.2 发射：激光器，波长，透镜系统

激光的产生来自于激光发射器，有半导体激光器、固体激光器、光纤激光器和二氧化碳气体激光器四种类型。

无人驾驶大多采用半导体激光器，激光由边缘发出的边发射激光器（EEL）和激光垂直于顶面的垂直腔面发射激光器（Vertical-CavitySurface-Emitting Laser，简称VCSEL）。

垂直腔面发射激光器，其出射光束圆形对称，光能转换效率高，光源具有高度一致性和高指向性等优点，被业界看好。

激光最关键指标在于波长，一般会考量四个因素：人眼安全、与大气相互作用、可选用的激光器以及可选用的光电探测器。

目前业内主流采用905nm和1550 nm两种波长，905nm波长适用的光电探测器比1550nm的更便宜，但1550nm对人眼安全性更高。

针对于与大气相互作用，1550nm吸水率比905nm更强，但905nm的光损失更少。

由于各种激光器发射的激光束并不是绝对平行的，因此还需要一套透镜系统，即发射光学系统，改变发射光束的发散度、波束宽度和截面积，使总功率保持不变。

发射光学系统，一般由准直镜、扩束镜和辅助光学系统组成。准直镜是为了解决激光器准直输出问题，扩束镜为了解决激光发散角问题，而辅助光学系统为了解决激光束偏振太难控制、光隔离等问题。

4.3 扫描（光束操纵）：机械和固态

激光雷达的扫描技术，直接与3D环境地图创建息息相关，可以通过多个激光光束扫描环境，即扫描式激光雷达，也可以通过对场景进行光覆盖而实现，即Flash面阵式激光雷达。

对于扫描式激光雷达，有三种方法可以实现：

第一， 安装在车顶以一定的速度旋转，在水平方向采用机械360°旋转扫描，在垂直方向采用了定向分布式扫描，这种方法使用旋转多面镜控制光束，也称为机械式扫描；

第二， 使用MEMS（微机电系统）微镜，把所有的机械部件集成到单个芯片上，利用半导体工艺生产，不需要机械式旋转电机，而是以电的方式来控制光束。

微镜振动幅度很小，频率高，成本低，技术成熟。但MEMS微镜的几何尺寸限制了其振荡幅度，其视野有限，无法实现360度。

第三， 采用光学相控阵（OPA）技术，原理与相控阵雷达类似，它由元件阵列组成，通过控制每个元件发射光的相位和振幅来控制光束，无需任何机械部件，因此也称为固态扫描。

扫描速度快，精度高，可控制性好是它的优点，但OPA芯片纳米加工难度高非常高。

以上方式都是逐点扫描，单次发射只探测某个方位，而Flash面阵式激光雷达，利用激光器同时照亮整个场景，对场景进行光覆盖，一次性实现全局成像，故也称为闪烁式激光雷达。

这种方式无扫描器件，成像速度快，缺点是激光功率受限，探测距离近，抗干扰能力差。

目前，MEMS和Flash技术更受到激光雷达厂商的青睐，有望逐步取代主流的机械式激光雷达。

下图为技术发展路线图：

4.4 探测：直接和相干，光电探测器是核心

目前有两种探测技术，一是直接探测法，也称为能量探测法，利用探测器的光电转换功能直接实现对光信号的信息解调。

其优点是系统简单，缺点是精度低，对噪声敏感。

另外一种方法是相干探测法，也称为外差探测法，即多了一路激光输出，需要对信号进行混频分析，其优点是灵敏度和精度高，缺点是系统比较复杂。

激光探测的核心器件是光电探测器，能把光能转换成一种便于测量（电压或电流）物理量的半导体器件，主要有频带宽、灵敏度高、线性输出范围宽、噪声低等要求。

目前主要有PIN光电二极管、雪崩二极管（APD）、单光子雪崩二极管(SPAD)和硅光电倍增管(SiPM)等。

4.5 数据处理技术

信息处理系统主要任务是对信号进行处理，计算，完成三维图像重构。

目前主要采用大规模集成电路和计算机完成，可利用FPGA技术（Field Programmable Gate Array）实现、高速DSP等完成。关于FPGA，请继续关注汽车人参考后续文章。

5. 分类：近二十种

根据上文中的技术总结，关于激光雷达可以分为以下几类，供读者参考：