光学人需要了解的激光雷达知识点 _激光雷达

文：曾永昌/深圳市速腾聚创科技有限公司公关经理
激光雷达(LiDAR)是通过激光测距技术探测环境信息的主动传感器的统称。利用激光束探测目标，获得数据并生成精确的数字高程模型。
车载激光雷达属于多线三维实时成像雷达，包括无人驾驶与机器人广泛使用的机械式16线/32线/64线/128线激光雷达，以及即将车规（车用导航规格）量产的MEMS固态激光雷达。激光雷达(LiDAR)作为主动传感器，不受外界环境光影响，实时感知环境信息，获得精确可靠环境三维数据，一直被用作自动驾驶的核心传感器。
自动驾驶对激光雷达的需求
根据目前业内统一使用、由SAE International（国际汽车工程师协会）制定的自动驾驶分级制度，自动驾驶根据自动化程度从低到高分为L0、L1、L2、L3、L4以及L5级。
其中L0为人工驾驶，L1为辅助驾驶，即系统仅提供一定程度的车道定心支持，包括横向和纵向控制（分别为转向和踏板）以及转向的“持续控制” 。
L2为半自动驾驶，即转向、加减速控制完全由系统控制，但驾驶员仍需将手时刻放置方向盘上，并保持对环境的观察以及准备好对激烈驾驶情况的应对。
而L3则为高度自动驾驶，即在一定车速下车辆驾驶完全由系统控制，驾驶员可以安全地将注意力从驾驶上转移开，将手从方向盘上移开，但当车辆将处理需要立即响应的情况，如紧急制动时，驾驶员必须准备在有限时间内进行干预。
L4和L5则分别为超高速自动驾驶以及全自动驾驶，是自动化程度最高的两个等级，驾驶员无需应对激烈驾驶情况，甚至可以安心睡觉或离开座位。但区别在于L4驾驶员仍然需要准备应对工况。
2017年，奥迪(Audi)发布全球首款量产的L3级自动驾驶汽车——奥迪A8，搭载来自法雷奥的4线激光雷达Scala 。Scala的嵌入式、小体积、高度可制造性与令人惊愕的低成本为车规级激光雷达树立了标杆。车载激光雷达的应用从此根据需求，被分成两个派系。
一是以Robo-Taxi为代表的“革命性”路线需求：直接应用于L4~L5完全自动驾驶开发(Robo-Taxi等)，追求高性能的机械式激光雷达。不考虑量产的条件下，可以牺牲尺寸和价格。常见产品包括如32线，64线，128线机械式激光雷达，如图1所示。图2为速腾聚创128线激光雷达RS-Ruby的实测点云数据，它代表了目前市面上机械式激光雷达可以达到的最高性能水平。

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图1 机械式激光雷达

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图2 128线激光雷达RS-Ruby的实测点云数据
二是以自动驾驶乘用车(私家车)为代表的“渐进式”路线需求：逐渐应用于乘用车L2+/L3 (ADAS高级辅助驾驶/ AD自动驾驶)的车规激光雷达，对尺寸、价格、生产制造性、稳定性有严格要求，性能方面“够用就好”，成熟一款，应用一款。
传统机械旋转式激光雷达系统虽然性能高，但由于物理极限和成本高等因素限制，难以满足自动驾驶大规模车规量产需求。
自动驾驶行业发展到现在，“革命性”路线准备商业化量产，“渐进式”路线追求更高级的自动驾驶，两派的需求将走向统一。在车规量产和高性能需求下，固态激光雷达技术快速发展。
目前，主流固态激光雷达技术方案可分为MEMS、OPA与Flash三种。
MEMS：利用 MEMS 微振镜（MEMS 指的是微机电系统）对激光进行精确控制，系统内所有的机械部件集成到单个MEMS芯片，芯片利用半导体工艺生产。
OPA：相控阵，原理与相控阵Radar类似，采用多个光源组成阵列，通过控制各光源发光时间差，合成具有特定方向的主光束，主光束便可以实现对不同方向的扫描。
Flash：面阵方案，短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光，再以高度灵敏的接收器，来完成对环境周围图像的绘制。该技术发明和应用的历史比较长久，但是由于高功率带来的风险限制了它的探测距离。
这三种固态方案都有基于自身技术原理带来的不同优缺点：同样是芯片化方案，千元级别的MEMS方案和OPA相比，成本难以快速降到百元级别。但是MEMS能够实现200米以上的远距离探测，并用作主雷达，而OPA与Flash目前更适合做近距离补盲雷达。
MEMS固态激光雷达具有高性能、稳定可靠、易于生产制造等优点，兼顾车规量产与高性能的需求。
目前绝大多数自动驾驶企业使用都是机械式激光雷达，深度学习算法框架也基于机械式激光雷达整齐规则的3D点云开发，这类框架需要同样规律整齐的3D点云才能够顺利继承。相对于双旋镜等其他固态激光雷达方案，MEMS固态激光雷达点云规律整齐，可继承先有深度学习感知算法框架，利于硬件产品升级换代后，延续算法的技术积累。目前，针对L2+/ L3量产车型的MEMS固态激光雷达，已处于车规量产前夕。