文章大纲

自动驾驶给激光雷达带来新机遇

激光雷达原理

车载传感器的比较

激光雷达的分类

激光雷达的迭代历史

激光雷达核心应用场景

激光雷达产业链

自动驾驶给激光雷达带来新机遇

激光雷达LiDAR被广泛用于无人驾驶汽车和机器人领域，被誉为广义机器人的“眼睛”，是一种通过发射激光来测量物体与传感器之间精确距离的主动测量装臵。其中广义机器人包括具有无人驾驶功能的汽车，也可称之为轮式机器人，另外还包括实现无人清扫、无人运送等功能的新型服务机器人。除了无人驾驶领域，激光雷达的应用领域也在不断拓展，包括以汽车整车厂、Tier1为代表的前装高级辅助驾驶，以智能服务机器人为代表的避障导航系统，还有随着5G技术逐渐普及而产生的智能交通车路协同应用，都为激光雷达带来了更广阔的市场。

激光雷达原理

激光雷达的工作原理是将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，通过测量发射脉冲与一个或数个回波脉冲之间的时间差而获得距离以及物体材质和颜色等参数。

具体来看，激光雷达由四个系统组成，分别为激光发射、激光接收、信息处理和扫描系统。激光发射系统中激励源周期性地驱动激光器，发射激光脉冲，激光调制器通过光束控制器控制发射激光的方向和线数，最后通过发射光学系统，将激光发射至目标物体；激光接收系统的工作原理是经接收光学系统，光电探测器接受目标物体反射回来的激光，产生接收信号；信息处理系统是接收信号经过放大处理和数模转换，经由信息处理模块计算，获取目标表面形态、物理属性等特性，最终建立物体模型；扫描系统是以稳定的转速旋转实现对所在平面的扫描，并产生实时的平面图信息。

激光雷达主要技术指标包括视场角、线数、分辨率、探测距离、测量精度、反射率和扫描帧频等。

激光雷达主要技术指标：

视场角

视场角决定了激光雷达能够看到的视野范围，分为水平视场角和垂直视场角，视场角越大，代表视野范围越大，反之则代表视野范围越小。

线数

线数越高，代表单位时间内采样的点就越多，分辨率也就越高，目前无人驾驶车一般采用32线或64线的激光雷达。

分辨率

分辨率和激光光束之间的夹角有关，夹角越小，分辨率越高。固态激光雷达的垂直分辨率和水平分辨率大概相当，约为0.1°，旋转式激光雷达的水平角分辨率为0.08°，垂直角分辨率约为0.4°。

探测距离

激光雷达的最大测量距离。在自动驾驶领域应用的激光雷达的测距范围普遍在~m左右。

测量精度

激光雷达的数据手册中的测量精度(Accuracy)常表示为，例如±2cm的形式。精度表示设备测量位臵与实际位臵偏差的范围。

反射率

反射率是指物体反射的辐射能量占总辐射能量的百分比，比如说某物体的反射率是20%，表示物体接收的激光辐射中有20%被反射出去了。不同物体的反射率不同，这主要取决于物体本身的性质（表面状况），如果反射率太低，那么激光雷达收不到反射回来的激光，导致检测不到障碍物。激光雷达一般要求物体表面的反射率在10%以上，用激光雷达采集高精度地图的时候，如果车道线的反射率太低，生成的高精度地图的车道线会不太清晰。

扫描帧频

激光雷达点云数据更新的频率。对于混合固态激光雷达来说，也就是旋转镜每秒钟旋转的圈数，单位Hz。例如，10Hz即旋转镜每秒转10圈，同一方位的数据点更新10次。

激光雷达是车辆安全和智能化的核心高端传感器，激光雷达也是我国智能汽车战略大力发展的关键基础技术之一。国家发改委、科技部、工信部等11部门联合印发的《智能汽车创新发展战略》中首次定义了什么是智能汽车：是指通过搭载先进传感器等装臵，运用人工智能等新技术，具有自动驾驶功能，逐步成为智能移动空间和应用终端的新一代汽车。在这个定义中，“搭载先进传感器”是智能汽车的重要标签。

车载传感器的比较

根据新华网，对比《智能汽车创新发展战略》意见征集稿和正式印发版，在有关核心供应链环节的表述中，意见稿中的“重点推动传感器”被修改为“车载高精度传感器”。这一修改目标更为明确，即培育发展“高精度传感器”。产业方面，发展战略要求推进车载高精度传感器等产品研发与产业化，促进激光/毫米波雷达等自主知识产权军用技术的转化应用。可见，下一步投资建设的落地点，在传感层的机会就在于高精度、高准确度的传感器。

根据新华网，激光雷达、毫米波雷达和摄像头是公认的自动驾驶的三大关键传感器技术。从技术上看，激光雷达与其他两者相比具备强大的空间三维分辨能力。中国汽车工程学会、国汽智联汽车研究院编写的《中国智能网联汽车产业发展报告（）》称，当前在人工智能的重要应用场景智能网联汽车的自动驾驶和辅助驾驶领域中，激光雷达是实现环境感知的核心传感器之一。报告认为，在用于道路信息检测的传感器中，激光雷达在探测距离、精准性等方面，相比毫米波雷达具有一定的优势。

无人驾驶汽车的“眼睛”已成为激光雷达的代名词。在复杂场景下，激光雷达有着不可比拟的优势。针对远距小障碍物，毫米波雷达的角分辨率不够，摄像头对远端的通用障碍物识别不够，而这种场景下激光雷达就可能及时识别。对于近距离加塞，这种场景在中国道路上尤其常见，毫米波雷达的角分辨率不够，摄像头通常来说需累计多帧，需要几百毫秒才可以确认加塞，而激光雷达由于精确的角度测量能力和轮廓测量能力，可以2-3帧确认加塞，百毫秒内做出判断。同样的原因，对于近端突出物，毫米波雷达和摄像头相对不足，而激光雷达可以做出快速判断。

在隧道场景下，摄像头在光线亮度发生突然变换的场景有致盲情况发生，而毫米波雷达一般不识别静止物体，如果隧道口刚好有一个静止车辆，这时就需要激光雷达的准确识别能力。此外，十字路口无保护左拐场景对激光雷达的大角度全视场测量能力有很大考验，需要同时满足大视场和远距测量能力。在地库场景，毫米波雷达由于多径反射性能不佳，而光线强弱变化又会影响摄像头的性能，这时激光雷达独特的优势就可以得到发挥。

激光雷达的分类

激光雷达行业具有较高的技术水准与技术壁垒，并同时具有技术创新能力强与产品迭代速度快的特征。其技术发展方向与半导体行业契合度高，激光雷达系统中核心的激光器、探测器、控制及处理单元均能从半导体行业的发展中受益，收发单元阵列化以及核心模块芯片化是未来的发展趋势。

激光雷达可分成一维（1D）激光雷达、二维（2D）扫描激光雷达和三维（3D）扫描激光雷达。1D激光雷达只能用于线性的测距；2D扫描激光雷达只能在平面上扫描，可用于平面面积与平面形状的测绘，如家庭用的扫地机器人；3D扫描激光雷达可进行3D空间扫描，用户户外建筑测绘，它是驾驶辅助和自助式自动驾驶应用的重要车载传感设备。3D激光雷达可进一步分成3D扇形扫描激光雷达和3D旋转式扫描激光雷达。

激光雷达按照测距方法可以分为飞行时间（TimeofFlight，ToF）测距法、基于相干探测FMCW测距法、以及三角测距法等，其中ToF与FMCW能够实现室外阳光下较远的测程（～m），是车载激光雷达的优选方案。ToF是目前市场车载中长距激光雷达的主流方案，未来随着FMCW激光雷达整机和上游产业链的成熟，ToF和FMCW激光雷达将在市场上并存。

激光雷达按测距方法分类：

ToF法

通过直接测量发射激光与回波信号的时间差，基于光在空气中的传播速度得到目标物的距离信息，具有响应速度快、探测精度高的优势。

FMCW法

将发射激光的光频进行线性调制，通过回波信号与参考光进行相干拍频得到频率差，从而间接获得飞行时间反推目标物距离。FMCW激光雷达具有可直接测量速度信息以及抗干扰（包括环境光和其他激光雷达）的优势。

按照技术架构可以分为整体旋转的机械式激光雷达、收发模块静止的半固态激光雷达以及固态式激光雷达。相比于半固态式和固态式激光雷达，机械旋转式激光雷达的优势在于可以对周围环境进行°的水平视场扫描，而半固态式和固态式激光雷达往往最高只能做到°的水平视场扫描，且在视场范围内测距能力的均匀性差于机械旋转式激光雷达。由于无人驾驶汽车运行环境复杂，需要对周围°的环境具有同等的感知能力，而机械旋转式激光雷达兼具°水平视场角和测距能力远的优势，目前主流无人驾驶项目纷纷采用了机械旋转式激光雷达作为主要的感知传感器。

激光雷达按技术架构分类：

机械旋转式激光雷达

通过电机带动收发阵列进行整体旋转，实现对空间水平°视场范围的扫描。测距能力在水平°视场范围内保持一致。

半固态式激光雷达

半固态方案的特点是收发单元与扫描部件解耦，收发单元（如激光器、探测器）不再进行机械运动，具体包括微振镜方案、转镜方案等。适用于实现部分视场角（如前向）的探测，体积相较于机械旋转式雷达更紧凑。

固态激光雷达

固态式方案的特点是不再包含任何机械运动部件，具体包括相控阵（OpticalPhasedArray,OPA）方案、Flash方案、电子扫描方案等。适用于实现部分视场角（如前向）的探测，因为不含机械扫描器件，其体积相较于其他架构最为紧凑。

激光雷达产业自诞生以来，紧跟底层器件的前沿发展，呈现出了技术水平高的突出特点。激光雷达厂商不断引入新的技术架构，提升探测性能并拓展应用领域：从激光器发明之初的单点激光雷达到后来的单线扫描激光雷达，以及在无人驾驶技术中获得广泛认可的多线扫描激光雷达，再到技术方案不断创新的固态式激光雷达、FMCW激光雷达，以及如今芯片化的发展趋势，激光雷达一直以来都是新兴技术发展及应用的代表。

激光雷达技术分类及特点：

机械式激光雷达：

高线数机械式方案

通过电机带动光机结构整体旋转的机械式激光雷达是激光雷达经典的技术架构，其技术发展的创新点体现在系统通道数目的增加、测距范围的拓展、空间角度分辨率的提高、系统集成度与可靠性的提升等。

半固态式激光雷达：

转镜方案

转镜方案中收发模块保持不动，电机在带动转镜运动的过程中将光束反射至空间的一定范围，从而实现扫描探测。转镜也是较为成熟的激光雷达技术方案，其技术创新体现之处与高线数机械式方案类似。

微振镜方案

微振镜方案采用高速振动的二维振镜实现对空间一定范围的扫描测量。微振镜方案的技术创新体现在开发口径更大、频率更高、可靠性更好振镜，以适用于激光雷达的技术方案。

FMCW激光雷达：

电子扫描方案

电子扫描方案中按照时间顺序通过依次驱动不同视场的收发单元实现扫描，系统内没有机械运动部件，是纯固态激光雷达的一种发展方向。其架构比整体曝光所有收发单元的Flash固态式激光雷达更先进。

连续波调频方案

FMCW目标物距离，同时也激光雷达发射调频连续激光，通过回波信号与参考光能够根据多普勒频移信息直接测量目标物的速度，其技术发展方向为利用硅进行相干拍频得到频率差，从而间接获得飞行时间反推基光电子技术实现激光雷达系统的芯片化。

激光雷达的迭代历史

激光雷达经历了60年左右的发展历程，其技术不断进步并呈现多样化发展趋势，同时随着应用领域的不断拓展丰富，激光雷达逐步迈向商业化，其市场也于近几年迅速扩大，并迎来上市热潮。在汽车产业“电气化、共享化、网联化、智能化”的“新四化”驱动下，年后无人驾驶行业高速发展，激光雷达行业也随之进入迅速发展期。年后激光雷达行业进入新的发展阶段，从技术方案来看，收发器件面阵化及核心模块芯片化为高性能、低成本、高集成度、高可靠性的激光雷达提供了可靠的发展方向，FMCW原理的激光雷达技术方案受到了市场的

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