激光雷達(dá)知多少：從技術(shù)上講講未來前景

激光雷達(dá)最早的定義是 LIDAR，英文為 Light Deteation and Ranging，中文意思是「光的探測和測距」。

其實(shí)更準(zhǔn)確的一個(gè)定義是 LADAR：LAser Detection and Ranging，即「激光的探測和測距」。這是在 2004 年提出的定義，更符合激光雷達(dá)的概念。

激光雷達(dá)實(shí)際上是一種工作在光學(xué)波段（特殊波段）的雷達(dá)，它的優(yōu)點(diǎn)非常明顯：

1、具有極高的分辨率：激光雷達(dá)工作于光學(xué)波段，頻率比微波高2～3個(gè)數(shù)量級以上，因此，與微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)具有極高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率；

2、抗干擾能力強(qiáng)：激光波長短，可發(fā)射發(fā)散角非常?。é蘲ad量級）的激光束，多路徑效應(yīng)?。ú粫纬啥ㄏ虬l(fā)射，與微波或者毫米波產(chǎn)生多路徑效應(yīng)），可探測低空/超低空目標(biāo)；

3、獲取的信息量豐富：可直接獲取目標(biāo)的距離、角度、反射強(qiáng)度、速度等信息，生成目標(biāo)多維度圖像；

4、可全天時(shí)工作：激光主動探測，不依賴于外界光照條件或目標(biāo)本身的輻射特性。它只需發(fā)射自己的激光束，通過探測發(fā)射激光束的回波信號來獲取目標(biāo)信息。

但是激光雷達(dá)最大的缺點(diǎn)——容易受到大氣條件以及工作環(huán)境的煙塵的影響，要實(shí)現(xiàn)全天候的工作環(huán)境是非常困難的事情。

 激光雷達(dá)按功能分類： 

激光測距雷達(dá) 

激光測距雷達(dá)是通過對被測物體發(fā)射激光光束，并接收該激光光束的反射波，記錄該時(shí)間差，來確定被測物體與測試點(diǎn)的距離。傳統(tǒng)上，激光雷達(dá)可用于工業(yè)的安全檢測領(lǐng)域，如科幻片中看到的激光墻，當(dāng)有人闖入時(shí)，系統(tǒng)會立馬做出反應(yīng)，發(fā)出預(yù)警。另外，激光測距雷達(dá)在空間測繪領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。但隨著人工智能行業(yè)的興起，激光測距雷達(dá)已成為機(jī)器人體內(nèi)不可或缺的核心部件，配合SLAM技術(shù)使用，可幫助機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航，，實(shí)現(xiàn)自主行走。思嵐科技研制的rplidar系列配合slamware模塊使用是目前服務(wù)機(jī)器人自主定位導(dǎo)航的典型代表，其在25米測距半徑內(nèi)，可完成每秒上萬次的激光測距，并實(shí)現(xiàn)毫米級別的解析度。

激光測速雷達(dá) 

激光測速雷達(dá)是對物體移動速度的測量，通過對被測物體進(jìn)行兩次有特定時(shí)間間隔的激光測距，從而得到該被測物體的移動速度。

激光雷達(dá)測速的方法主要有兩大類，一類是基于激光雷達(dá)測距原理實(shí)現(xiàn)，即以一定時(shí)間間隔連續(xù)測量目標(biāo)距離，用兩次目標(biāo)距離的差值除以時(shí)間間隔就可得知目標(biāo)的速度值，速度的方向根據(jù)距離差值的正負(fù)就可以確定。這種方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，測量精度有限，只能用于反射激光較強(qiáng)的硬目標(biāo)。

另一類測速方法是利用多普勒頻移。多普勒頻移是指目標(biāo)與激光雷達(dá)之間存在相對速度時(shí)，接收回波信號的頻率與發(fā)射信號的頻率之間會產(chǎn)生一個(gè)頻率差，這個(gè)頻率差就是多普勒頻移。

激光成像雷達(dá) 

激光成像雷達(dá)可用于探測和跟蹤目標(biāo)、獲得目標(biāo)方位及速度信息等。它能夠完成普通雷達(dá)所不能完成的任務(wù)，如探測潛艇、水雷、隱藏的軍事目標(biāo)等等。在軍事、航空航天、工業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

大氣探測激光雷達(dá) 

大氣探測激光雷達(dá)主要是用來探測大氣中的分子、煙霧的密度、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向及大氣中水蒸氣的濃度的，以達(dá)到對大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測及對暴風(fēng)雨、沙塵暴等災(zāi)害性天氣進(jìn)行預(yù)報(bào)的目的。

跟蹤雷達(dá) 

跟蹤雷達(dá)可以連續(xù)的去跟蹤一個(gè)目標(biāo)，并測量該目標(biāo)的坐標(biāo)，提供目標(biāo)的運(yùn)動軌跡。不僅用于火炮控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)、外彈道測量、衛(wèi)星跟蹤、突防技術(shù)研究等，而且在氣象、交通、科學(xué)研究等領(lǐng)域也在日益擴(kuò)大。

按工作介質(zhì)分類： 

固體激光雷達(dá) 

固體激光雷達(dá)峰值功率高，輸出波長范圍與現(xiàn)有的光學(xué)元件與器件，輸出長范圍與現(xiàn)有的光學(xué)元件與器件(如調(diào)制器、隔離器和探測器）以及大氣傳輸特性相匹配等，而且很容易實(shí)現(xiàn)主振蕩器-功率放大器（MOPA）結(jié)構(gòu)，再加上效率高、體積小、重量輕、可靠性高和穩(wěn)定性好等導(dǎo)體，固體激光雷達(dá)優(yōu)先在機(jī)載和天基系統(tǒng)中應(yīng)用。近年來，激光雷達(dá)發(fā)展的重點(diǎn)是二極管泵浦固體激光雷達(dá)。

氣體激光雷達(dá) 

氣體激光雷達(dá)以CO2激光雷達(dá)為代表，它工作在紅外波段 ，大氣傳輸衰減小，探測距離遠(yuǎn)，已經(jīng)在大氣風(fēng)場和環(huán)境監(jiān)測方面發(fā)揮了很大作用，但體積大，使用的中紅外 HgCdTe探測器必須在77K溫度下工作,限制了氣體激光雷達(dá)的發(fā)展。

半導(dǎo)體激光雷達(dá) 

半導(dǎo)體激光雷達(dá)能以高重復(fù)頻率方式連續(xù)工作，具有長壽命，小體積，低成本和對人眼傷害小的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于后向散射信號比較強(qiáng)的Mie散射測量，如探測云底高度。半導(dǎo)體激光雷達(dá)的潛在應(yīng)用是測量能見度，獲得大氣邊界層中的氣溶膠消光廓線和識別雨雪等，易于制成機(jī)載設(shè)備。目前芬蘭Vaisala公司研制的CT25K激光測云儀是半導(dǎo)體測云激光雷達(dá)的典型代表，其云底高度的測量范圍可達(dá)7500m。

按線數(shù)分類： 

單線激光雷達(dá) 

單線激光雷達(dá)主要用于規(guī)避障礙物，其掃描速度快、分辨率強(qiáng)、可靠性高。由于單線激光雷達(dá)比多線和3D激光雷達(dá)在角頻率和靈敏度反映更加快捷，所以，在測試周圍障礙物的距離和精度上都更加精 確。但是，單線雷達(dá)只能平面式掃描，不能測量物體高度，有一定局限性。當(dāng)前主要應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人身上，如我們常見的掃地機(jī)器人。

多線激光雷達(dá) 

多線激光雷達(dá)主要應(yīng)用于汽車的雷達(dá)成像，相比單線激光雷達(dá)在維度提升和場景還原上有了質(zhì)的改變，可以識別物體的高度信息。多線激光雷達(dá)常規(guī)是2.5D，而且可以做到3D。目前在國際市場上推出的主要有 4線、8線、16 線、32 線和 64 線。但價(jià)格高昂，大多車企不會選用。

按掃描方式分類： 

MEMS型激光雷達(dá) 

MEMS 型激光雷達(dá)可以動態(tài)調(diào)整自己的掃描模式，以此來聚焦特殊物體，采集更遠(yuǎn)更小物體的細(xì)節(jié)信息并對其進(jìn)行識別，這是傳統(tǒng)機(jī)械激光雷達(dá)無法實(shí)現(xiàn)的。MEMS整套系統(tǒng)只需一個(gè)很小的反射鏡就能引導(dǎo)固定的激光束射向不同方向。由于反射鏡很小，因此其慣性力矩并不大，可以快速移動，速度快到可以在不到一秒時(shí)間里跟蹤到 2D 掃描模式。

Flash型激光雷達(dá) 

Flash型激光雷達(dá)能快速記錄整個(gè)場景，避免了掃描過程中目標(biāo)或激光雷達(dá)移動帶來的各種麻煩，它運(yùn)行起來比較像攝像頭。激光束會直接向各個(gè)方向漫射，因此只要一次快閃就能照亮整個(gè)場景。隨后，系統(tǒng)會利用微型傳感器陣列采集不同方向反射回來的激光束。Flash LiDAR有它的優(yōu)勢，當(dāng)然也存在一定的缺陷。當(dāng)像素越大，需要處理的信號就會越多，如果將海量像素塞進(jìn)光電探測器，必然會帶來各種干擾，其結(jié)果就是精度的下降。

相控陣激光雷達(dá) 

相控陣激光雷達(dá)搭載的一排發(fā)射器可以通過調(diào)整信號的相對相位來改變激光束的發(fā)射方向。目前大多數(shù)相控陣激光雷達(dá)還在實(shí)驗(yàn)室里呆著，而現(xiàn)在仍停留在旋轉(zhuǎn)式或 MEMS 激光雷達(dá)的時(shí)代，

機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá) 

機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)是發(fā)展比較早的激光雷達(dá)，目前技術(shù)比較成熟，但機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，且各核心組件價(jià)格也都頗為昂貴，其中主要包括激光器、掃描器、光學(xué)組件、光電探測器、接收IC以及位置和導(dǎo)航器件等。由于硬件成本高，導(dǎo)致量產(chǎn)困難，且穩(wěn)定性也有待提升，目前固態(tài)激光雷達(dá)成為很多公司的發(fā)展方向。

按探測方式分類： 

直接探測激光雷達(dá) 

直接探測型激光雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)與激光測距機(jī)頗為相近。工作時(shí)，由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測量激光信號往返傳播的時(shí)間而確定目標(biāo)的距離。至于目標(biāo)的徑向速度，則可以由反射光的多普勒頻移來確定，也可以測量兩個(gè)或多個(gè)距離，并計(jì)算其變化率而求得速度。

相干探測激光雷達(dá) 

相干探測型激光雷達(dá)有單穩(wěn)與雙穩(wěn)之分，在所謂單穩(wěn)系統(tǒng)中，發(fā)送與接收信號共用一個(gè)光學(xué)孔徑，并由發(fā)送-接收開關(guān)隔離。而雙穩(wěn)系統(tǒng)則包括兩個(gè)光學(xué)孔徑，分別供發(fā)送與接收信號使用，發(fā)送-接收開關(guān)自然不再需要，其余部分與單穩(wěn)系統(tǒng)相同。

按激光發(fā)射波形分類： 

連續(xù)型激光雷達(dá) 

從激光的原理來看，連續(xù)激光就是一直有光出來，就像打開手電筒的開關(guān)，它的光會一直亮著（特殊情況除外）。連續(xù)激光是依靠持續(xù)亮光到待測高度，進(jìn)行某個(gè)高度下數(shù)據(jù)采集。由于連續(xù)激光的工作特點(diǎn)，某時(shí)某刻只能采集到一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。因?yàn)轱L(fēng)數(shù)據(jù)的不確定特性，用一點(diǎn)代表某個(gè)高度的風(fēng)況，顯然有些片面。因此有些廠家折中的辦法是采取旋轉(zhuǎn)360度，在這個(gè)圓邊上面采集多點(diǎn)進(jìn)行平均評估，顯然這是一個(gè)虛擬平面中的多點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的概念。

脈沖型激光雷達(dá) 

脈沖激光輸出的激光是不連續(xù)的，而是一閃一閃的。脈沖激光的原理是發(fā)射幾萬個(gè)的激光粒子，根據(jù)國際通用的多普勒原理，從這幾萬個(gè)激光粒子的反射情況來綜合評價(jià)某個(gè)高度的風(fēng)況，這個(gè)是一個(gè)立體的概念，因此才有探測長度的理論。從激光的特性來看，脈沖激光要比連續(xù)激光測量的點(diǎn)位多幾十倍，更能夠精確的反應(yīng)出某個(gè)高度風(fēng)況。

按載荷平臺分類： 

機(jī)載激光雷達(dá) 

機(jī)載激光雷達(dá)是將激光測距設(shè)備、GNSS設(shè)備和INS等設(shè)備緊密集成，以飛行平臺為載體，通過對地面進(jìn)行掃描，記錄目標(biāo)的姿態(tài)、位置和反射強(qiáng)度等信息，獲取地表的三維信息，并深入加工得到所需空間信息的技術(shù)。在軍民用領(lǐng)域都有廣泛的潛力和前景。機(jī)載激光雷達(dá)探測距離近，激光在大氣中傳輸時(shí)，能量受大氣影響而衰減，激光雷達(dá)的作用距離在20千米以內(nèi)，尤其在惡劣氣候條件下，比如濃霧、大雨和煙、塵，作用距離會大大縮短，難以有效工作。大氣湍流也會不同程度上降低激光雷達(dá)的測量精度。

車載激光雷達(dá) 

車載激光雷達(dá)又稱車載三維激光掃描儀，是一種移動型三維激光掃描系統(tǒng)，可以通過發(fā)射和接受激光束，分析激光遇到目標(biāo)對象后的折返時(shí)間，計(jì)算出目標(biāo)對象與車的相對距離，并利用收集的目標(biāo)對象表面大量的密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率等信息，快速復(fù)建出目標(biāo)的三維模型及各種圖件數(shù)據(jù)，建立三維點(diǎn)云圖，繪制出環(huán)境地圖，以達(dá)到環(huán)境感知的目的。車載激光雷達(dá)在自動駕駛“造車”大潮中扮演的角色正越來越重要，諸如谷歌、百度、寶馬、博世、德爾福等企業(yè)，都在其自動駕駛系統(tǒng)中使用了激光雷達(dá)，帶動車載激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)迅速擴(kuò)大。

地基激光雷達(dá) 

地基激光雷達(dá)可以獲取林區(qū)的3D點(diǎn)云信息，利用點(diǎn)云信息提取單木位置和樹高，它不僅節(jié)省了人力和物力，還提高了提取的精度，具有其它遙感方式所無法比擬的優(yōu)勢。通過對國內(nèi)外該技術(shù)林業(yè)應(yīng)用的分析和對該發(fā)明研究后期的結(jié)果驗(yàn)證，未來將會在更大的研究區(qū)域利用該技術(shù)提取各種森林參數(shù)。

星載激光雷達(dá) 

星載雷達(dá)采用衛(wèi)星平臺，運(yùn)行軌道高、觀測視野廣，可以觸及世界的每一個(gè)角落。為境外地區(qū)三維控制點(diǎn)和數(shù)字地面模型的獲取提供了新的途徑，無論對于國防或是科學(xué)研究都具有十分重大意義。星載激光雷達(dá)還具有觀察整個(gè)天體的能力，美國進(jìn)行的月球和火星等探測計(jì)劃中都包含了星載激光雷達(dá)，其所提供的數(shù)據(jù)資料可用于制作天體的綜合三維地形圖。此外，星載激光雷達(dá)載植被垂直分布測量、海面高度測量、云層和氣溶膠垂直分布測量以及特殊氣候現(xiàn)象監(jiān)測等方面也可以發(fā)揮重要作用。

通過以上對激光雷達(dá)特點(diǎn)、原理、應(yīng)用領(lǐng)域等介紹，相信大家也能大致了解各類激光雷達(dá)的不同屬性了，眼下，在激光雷達(dá)這個(gè)競爭越來越激烈的賽道上，打造低成本、可量產(chǎn)、的激光雷達(dá)是很多新創(chuàng)公司想要實(shí)現(xiàn)的夢想。但開發(fā)和量產(chǎn)激光雷達(dá)并不容易。豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和可靠的技術(shù)才能保障其在這一波大潮中占據(jù)主導(dǎo)地位。

國內(nèi)外知名激光雷達(dá)公司盤點(diǎn)

2020激光雷達(dá)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析

據(jù)悉，2019年激光雷達(dá)市場規(guī)模7.36億元。激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。其工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測信號(激光束),然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號(目標(biāo)回波)與發(fā)射信號進(jìn)行比較,作適當(dāng)處理后,就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息,如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù),從而對飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)進(jìn)行探測、跟蹤和識別。它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機(jī)再把從目標(biāo)反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。

近年來，激光雷達(dá)被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航領(lǐng)域，如機(jī)器人、無人機(jī)的避障以及智能車的自動駕駛(領(lǐng)域，應(yīng)用場景不斷擴(kuò)大，打破了原來僅局限于應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的局面，而在民用和商業(yè)領(lǐng)域得到較快發(fā)展。

未來自動駕駛將是拉動行業(yè)的發(fā)展的最大動力之一。激光雷達(dá)作為高級別無人駕駛必須的核心傳感器，車規(guī)適應(yīng)性將成為激光雷達(dá)進(jìn)入自動駕駛市場的基本條件。目前國內(nèi)外一些廠商已經(jīng)陸續(xù)推出車規(guī)級激光雷達(dá)產(chǎn)品，包括lbeo、Innoviz、速騰聚創(chuàng)，推出的車規(guī)級激光雷達(dá)的有Velodyne、佳光科技，其他激光雷達(dá)廠商目前也在研發(fā)車規(guī)級激光雷達(dá)，未來，我們將看到更多的車規(guī)級激光雷達(dá)出現(xiàn)在市場上。

據(jù)中研普華研究分析，目前大部分企業(yè)都以無人車、機(jī)器人及無人車領(lǐng)域激光雷達(dá)為主要研究方向。而傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)已逐漸向固態(tài)激光雷達(dá)方向轉(zhuǎn)變。在價(jià)格方面，無人駕駛領(lǐng)域的激光雷達(dá)少則上萬，多則幾十萬元，普遍要高于機(jī)器人及AGV等領(lǐng)域價(jià)格。而機(jī)器人領(lǐng)域的激光雷達(dá)相對來說售價(jià)更低，國內(nèi)思嵐科技及玩智商等企業(yè)已低至上百元。在未來，固態(tài)、小型、低成本激光雷達(dá)將是各企業(yè)的著重發(fā)力點(diǎn)。

還沒看夠，線上研討會一次教會你！

【LeddarTech在線研討會】

將于7月14日重磅開啟！

這次的主角是LiDAR激光技術(shù)

想必各位對于自動駕駛

以及雷達(dá)激光并不陌生

想象一下未來的世界

只需說明抵達(dá)地點(diǎn)

智能汽車就能帶你環(huán)游世界

想要實(shí)現(xiàn)目前顯然不夠

除了車載智能的計(jì)算設(shè)備

作為汽車的“眼”

LiDAR激光技術(shù)是關(guān)鍵點(diǎn)

可以說掌握了LiDAR激光就是在掌握未來

在本網(wǎng)絡(luò)研討會中

我們將仔細(xì)研究固態(tài)LiDAR激光雷達(dá)技術(shù)

這對于實(shí)現(xiàn)更高級別自動駕駛低速應(yīng)用至關(guān)重要！

激光雷達(dá)現(xiàn)在及未來的應(yīng)用和創(chuàng)新

新冠肺炎疫情的蔓延嚴(yán)重影響了全球的產(chǎn)業(yè)和市場，以各種方式極大地在改變了人們的日常生活，危難之中也有機(jī)遇。對于自動駕駛汽車技術(shù)來說有一種積極地推動作用，全球范圍內(nèi)對自動駕駛汽車技術(shù)的接受程度越來越高，尤其是在無人物流，短途接駁通勤是一種減少病毒傳播的有效手段。在中國，由于百度，京東，美團(tuán)，菜鳥，新石器，智行者等等公司在武漢等地區(qū)增加投入的自動駕駛汽車大顯身手。顯然自動駕駛汽車將在不久的未來在不斷發(fā)展的交通領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

2020-07-14 10:00:00

王曉文

銷售總監(jiān)，項(xiàng)目管理學(xué)士學(xué)位，17年電子行業(yè)從業(yè)經(jīng)歷及汽車傳感器8年經(jīng)歷。2019年年初加入LeddarTech，負(fù)責(zé)中國地區(qū)激光雷達(dá)的業(yè)務(wù)開拓和市場銷售工作。

注： 

LeddarTech 是行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，提供基于獨(dú)特 LeddarEngine? 的最通用且可擴(kuò)展的自動駕駛和移動 LiDAR 平臺，該平臺由一系列車規(guī)級功能安全認(rèn)證的系統(tǒng)級芯片 (SoCs) 組成，與專有的 LeddarSP? 信號處理軟件協(xié)同工作。公司致力于尖端移動遙感應(yīng)用的多項(xiàng)創(chuàng)新，擁有 70 多項(xiàng)專利技術(shù)（已授予或申請中），增強(qiáng)高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和自動駕駛性能。LeddarTech 還為移動市場提供固態(tài)高性能 LiDAR 模塊解決方案，用于自動駕駛穿梭巴士、卡車、公共汽車、貨運(yùn)車輛和自動駕駛出租車等。研發(fā)此類模塊不僅用于支持移動市場，同時(shí)也彰顯出 LeddarTech 在自動駕駛和移動平臺方面的實(shí)力，為其他 LiDAR 供應(yīng)商提供最佳開發(fā)基礎(chǔ)。

【參考資料】

1、《2020激光雷達(dá)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析》

2、《國內(nèi)外知名激光雷達(dá)公司有哪些？》