激光雷達(dá)的分類及特點(diǎn)

激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging，簡稱LiDAR)作為一項精密的遙感技術(shù)，憑借其獨(dú)特的三維空間感知能力與高度的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，在眾多現(xiàn)代科技領(lǐng)域扮演著關(guān)鍵角色。從自動駕駛車輛的安全導(dǎo)航，到地理信息系統(tǒng)(GIS)的地形測繪，再到環(huán)境監(jiān)測和航天探測等復(fù)雜任務(wù)，激光雷達(dá)都展現(xiàn)出了強(qiáng)大的實用性與適應(yīng)性。本文將詳細(xì)介紹激光雷達(dá)的不同分類及其各自的特點(diǎn)。

一、激光雷達(dá)的基本分類

1. 機(jī)械掃描激光雷達(dá)

機(jī)械掃描激光雷達(dá)利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)組件來改變激光束的方向，從而實現(xiàn)對周圍環(huán)境的360度全方位掃描。這類雷達(dá)通常配備有一個或多束激光發(fā)射器以及相應(yīng)的接收器，通過高速旋轉(zhuǎn)，能夠構(gòu)建出詳盡的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型。盡管機(jī)械掃描雷達(dá)在早期廣泛應(yīng)用，但因其內(nèi)部復(fù)雜的機(jī)械構(gòu)造和潛在的磨損問題，已逐漸被更加先進(jìn)和緊湊的設(shè)計所取代。

2. 半固態(tài)激光雷達(dá)(混合固態(tài))

半固態(tài)或混合固態(tài)激光雷達(dá)在一定程度上簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，通常只在某一個軸線上采用機(jī)械轉(zhuǎn)動或振鏡，而在其他軸向上使用固態(tài)器件實現(xiàn)掃描。這樣不僅減少了體積和故障率，還提高了掃描效率。代表性產(chǎn)品如Quanergy的M8系列，通過集成MEMS振鏡大幅縮小了尺寸，同時維持了一定的掃描性能。

3. 固態(tài)激光雷達(dá)

固態(tài)激光雷達(dá)則完全摒棄了任何機(jī)械運(yùn)動部件，采用固態(tài)電子或光學(xué)元件替代傳統(tǒng)機(jī)械掃描方式，具有更高的穩(wěn)定性、耐用性和更低的制造成本。固態(tài)激光雷達(dá)主要包括以下幾種類型：

Flash LiDAR：瞬間發(fā)射大量激光脈沖照亮整個視野區(qū)域，利用大面積探測器一次性獲取場景信息，適合于大范圍但分辨率相對較低的應(yīng)用場景。

相控陣LiDAR(Optical Phased Array, OPA)：通過電子控制激光陣列中各單元發(fā)射的相位，調(diào)整光束指向，實現(xiàn)無物理運(yùn)動的電子掃描，有望實現(xiàn)快速、高分辨率的實時成像。

MEMS LiDAR：采用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的微鏡陣列來引導(dǎo)和快速掃描激光光束，兼顧了體積小和掃描速度快的優(yōu)點(diǎn)。

二、按工作原理與功能分類

1. 飛行時間(Time-of-Flight, ToF)激光雷達(dá)

ToF激光雷達(dá)基于測量激光脈沖從發(fā)射到反射回來的時間差來確定目標(biāo)距離，具有測量精度高、響應(yīng)快的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于自動駕駛汽車、機(jī)器人以及其他需要精確測距的場合。

2. 相干連續(xù)波(Continuous Wave, CW)激光雷達(dá)

CW雷達(dá)使用連續(xù)波激光并結(jié)合干涉測量原理，通過對反射回來的光波頻率或相位變化的檢測來測量距離和速度，特別適用于遠(yuǎn)距離、高精度的測量和跟蹤應(yīng)用。

3. FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)激光雷達(dá)

FMCW雷達(dá)通過調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)，可以同時獲取目標(biāo)的距離和速度信息，具備抗干擾性強(qiáng)、信噪比高的優(yōu)勢，是自動駕駛車輛高級輔助駕駛系統(tǒng)(ADAS)和其他高要求場景的理想選擇。

三、各類激光雷達(dá)的主要特點(diǎn)

1. 機(jī)械掃描雷達(dá)：特點(diǎn)是成熟可靠，可提供較高分辨率數(shù)據(jù)，但受限于機(jī)械結(jié)構(gòu)，體積較大，維護(hù)成本相對較高。

2. 固態(tài)激光雷達(dá)：顯著特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定可靠、壽命長，有利于大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，但初期研發(fā)成本較高，部分固態(tài)雷達(dá)技術(shù)尚處于發(fā)展階段，分辨率和探測范圍有待優(yōu)化。

3. ToF激光雷達(dá)：優(yōu)勢在于實時性好、測距精度高，但在復(fù)雜環(huán)境下的信號處理和多目標(biāo)識別有較高技術(shù)要求。

4. FMCW激光雷達(dá)：突出優(yōu)點(diǎn)在于其高精度測速和測距能力，尤其在車規(guī)級應(yīng)用中受到青睞，然而其技術(shù)難度相對較高，芯片化趨勢有助于降低成本和提高集成度。

總的來說，激光雷達(dá)的多樣性源于其在不同應(yīng)用場景中對性能指標(biāo)、成本效益、環(huán)境適應(yīng)性等方面的需求差異。隨著技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新和市場需求的日益增長，激光雷達(dá)將朝著更小型化、低成本、高智能化的方向發(fā)展，為各個行業(yè)提供更強(qiáng)大、更精準(zhǔn)的空間感知解決方案。