激光雷達(dá)傳感技術(shù)的定義與分類

　　一、激光雷達(dá)的定義

　　激光雷達(dá)（LiDAR）是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器，好比人類的眼睛，可以確定物體的位置、大小、外部形貌甚至材質(zhì)。它是通過激光測距技術(shù)探測環(huán)境信息的主動傳感器的統(tǒng)稱。它利用激光束探測目標(biāo)，獲得數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字工程模型。

　　激光雷達(dá)由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理三部分組成。激光雷達(dá)的工作原理是利用可見和近紅外光波（多為950nm波段附近的紅外光）發(fā)射、反射和接收來探測物體。

　　二、激光雷達(dá)的分類

　　根據(jù)結(jié)構(gòu)，激光雷達(dá)分為機(jī)械式激光雷達(dá)、固態(tài)激光雷達(dá)和混合固態(tài)激光雷達(dá)。

　　1、機(jī)械式激光雷達(dá)

　　機(jī)械激光雷達(dá)，是指其發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)存在宏觀意義上的轉(zhuǎn)動，也就是通過不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將速度更快、發(fā)射更準(zhǔn)的激光從“線”變成“面”，并在豎直方向上排布多束激光，形成多個(gè)面，達(dá)到動態(tài)掃描并動態(tài)接收信息的目的。

　　因?yàn)閹в袡C(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，所以機(jī)械激光雷達(dá)外表上最大的特點(diǎn)就是自己會轉(zhuǎn)，個(gè)頭較大。

　　如今機(jī)械激光雷達(dá)技術(shù)相對成熟，但價(jià)格昂貴，暫時(shí)給主機(jī)廠量產(chǎn)的可能性較低；同時(shí)存在光路調(diào)試、裝配復(fù)雜，生產(chǎn)周期漫長，機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件在行車環(huán)境下的可靠性不高，難以符合車規(guī)的嚴(yán)苛要求等不足。

　　2、混合固態(tài)激光雷達(dá)

　　機(jī)械式激光雷達(dá)在工作時(shí)發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)會一直360度地旋轉(zhuǎn)，而混合固態(tài)激光雷達(dá)工作時(shí)，單從外觀上是看不到旋轉(zhuǎn)的，巧妙之處是將機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件做得更加小巧并深深地隱藏在外殼之中。

　　業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，混合固態(tài)激光雷達(dá)指用半導(dǎo)體“微動”器件（如MEMS掃描鏡）來代替宏觀機(jī)械式掃描器，在微觀尺度上實(shí)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射端的激光掃描方式。MEMS掃描鏡是一種硅基半導(dǎo)體元器件，屬于固態(tài)電子元件；但是MEMS掃描鏡并不“安分”，內(nèi)部集成了“可動”的微型鏡面；由此可見MEMS掃描鏡兼具“固態(tài)”和“運(yùn)動”兩種屬性，故稱為“混合固態(tài)”。

　　對于激光雷達(dá)來說，MEMS最大的價(jià)值在于：原本為了機(jī)械式激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)掃描，必須使激光發(fā)射器轉(zhuǎn)動。而MEMS微機(jī)電系統(tǒng)可以直接在硅基芯片上集成體積十分精巧的微振鏡，由可以旋轉(zhuǎn)的微振鏡來反射激光器的光線，從而實(shí)現(xiàn)掃描。

　　這樣一來，激光雷達(dá)本身不用再大幅度地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可以有效降低整個(gè)系統(tǒng)在行車環(huán)境出現(xiàn)問題的幾率。另外，主要部件運(yùn)用芯片工藝生產(chǎn)之后，量產(chǎn)能力也得以大幅度提高，有利于降低激光雷達(dá)的成本，可以從上千乃至上萬美元降低到數(shù)百美元。

　　3、固態(tài)激光雷達(dá)

　　相比于機(jī)械式激光雷達(dá)，固態(tài)激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)上最大的特點(diǎn)就是沒有了旋轉(zhuǎn)部件，個(gè)頭相對較小。

　　固態(tài)激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)包括了：數(shù)據(jù)采集速度快，分辨率高，對于溫度和振動的適應(yīng)性強(qiáng)；通過波束控制，探測點(diǎn)（點(diǎn)云）可以任意分布，例如在高速公路主要掃描前方遠(yuǎn)處，對于側(cè)面稀疏掃描但并不完全忽略，在十字路口加強(qiáng)側(cè)面掃描。而只能勻速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械式激光雷達(dá)是無法執(zhí)行這種精細(xì)操作的。

　　從使用的技術(shù)上，固態(tài)激光雷達(dá)分為OPA固態(tài)激光雷達(dá)和Flash固態(tài)激光雷達(dá)。

　?。?）OPA固態(tài)激光雷達(dá)

　　OPA（opticalphasedarray）光學(xué)相控陣技術(shù)。對軍事有所了解的讀者，應(yīng)該會知道相控陣?yán)走_(dá)，美海軍宙斯盾艦上那一塊蜂窩狀的“板子”就是它。

　　而光學(xué)相控陣使用的即是原理相同的技術(shù)。OPA運(yùn)用相干原理（類似的是兩圈水波相互疊加后，有的方向會相互抵消，有的會相互增強(qiáng)），采用多個(gè)光源組成陣列，通過控制各光源發(fā)光時(shí)間差，合成具有特定方向的主光束。然后再加以控制，主光束便可以實(shí)現(xiàn)對不同方向的掃描。

　　相對于MEMS，這一技術(shù)的電子化更加徹底，它完全取消了機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)發(fā)射陣列中每個(gè)發(fā)射單元的相位差來改變激光的出射角度。

　　因?yàn)闆]有任何機(jī)械結(jié)構(gòu)，自然也沒有旋轉(zhuǎn)。所以相比傳統(tǒng)機(jī)械式雷達(dá)，OPA固態(tài)激光雷達(dá)有掃描速度快、精度高、可控性好、體積小等優(yōu)點(diǎn)。但也易形成旁瓣，影響光束作用距離和角分辨率，同時(shí)生產(chǎn)難度高。

　?。?）Flash固態(tài)激光雷達(dá)

　　Flash原本的意思為快閃。而Flash激光雷達(dá)的原理也是快閃，不像MEMS或OPA的方案會去進(jìn)行掃描，而是短時(shí)間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，再以高度靈敏的接收器，來完成對環(huán)境周圍圖像的繪制。

　　因此，F(xiàn)lash固態(tài)激光雷達(dá)屬于非掃描式雷達(dá)，發(fā)射面陣光，是以2維或3維圖像為重點(diǎn)輸出內(nèi)容的激光雷達(dá)。某種意義上，它有些類似于黑夜中的照相機(jī)，光源由自己主動發(fā)出。

　　Flash固態(tài)雷達(dá)的一大優(yōu)勢是它能快速記錄整個(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。不過，這種方式也有自己的缺陷，比如探測距離較近。

　　這意味著Flash固態(tài)激光雷達(dá)沒有“遠(yuǎn)視眼”，在實(shí)際使用中不適合遠(yuǎn)程探測，而業(yè)內(nèi)專家堅(jiān)信，全自動駕駛汽車上搭載的激光雷達(dá)至少一眼就得看到200到300米外的物體。

　　其實(shí)Flash固態(tài)激光雷達(dá)的成本還是相對低，但基于3DFlash技術(shù)的固態(tài)激光雷達(dá)，在技術(shù)的可靠性方面還存在問題。