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從光學(xué)視角來看，激光雷達可以認為是基于光學(xué)收發(fā)的時空匹配系統(tǒng)：基于飛行時間的直接或間接探測是時間維度的匹配；各類光學(xué)收發(fā)系統(tǒng)以及對應(yīng)的空間位置關(guān)系是空間維度的匹配。激光雷達按照光學(xué)掃描方式的不同，可以分為機械式、半固態(tài)和全固態(tài)激光雷達這幾大類；激光雷達不同掃描方式一直是多種技術(shù)路線并行研發(fā)，目前市面上主流的長距離激光雷達掃描方式為轉(zhuǎn)鏡類和MEMS類，但以Flash為代表的全固態(tài)激光雷達，被認為是長期發(fā)展的方向。

1機械式轉(zhuǎn)鏡掃描方案

機械式激光雷達最早進入市場，它是在發(fā)射模塊在垂直方向上排布多線激光器，然后發(fā)射模塊和接收模塊在電機帶動下，進行360°旋轉(zhuǎn)掃描，因為結(jié)構(gòu)簡單可靠，是目前最容易通過車廠認證、應(yīng)用最廣的一種技術(shù)路線。

如上圖2所示鐳神智能的32線機械式激光雷達，垂直視場角有-16°~15° -18°~14°兩種模式，模式一（圖3）（視場角：-16°~15°）的角分辨率為1°均勻分布，滿足大視場全面覆蓋；模式二（圖4）（視場角為-18°~14°），中間加密區(qū)域的角分辨率為0.33°，滿足前方數(shù)據(jù)集中采集的使用需求。

轉(zhuǎn)鏡路線主要應(yīng)用機器人產(chǎn)業(yè)、智慧交通（車路協(xié)同路側(cè)感知系統(tǒng)）、自動駕駛（多傳感器融合環(huán)境感知系統(tǒng)）、智慧物流（無人叉車3D SLAM導(dǎo)航系統(tǒng)）、高端安防（三維立體防護系統(tǒng)）等方面，隨著“非接觸式”服務(wù)的興起，機器人產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模不斷擴大，轉(zhuǎn)鏡式激光雷達可以為不同領(lǐng)域的機器人提供多功能、高性價比的解決方案，使機器人能夠在室內(nèi)外的復(fù)雜路況中實現(xiàn)自主定位、導(dǎo)航、避障等功能。

轉(zhuǎn)鏡路線的核心要素是電機以及針對特定波長高反射率的鍍膜反射鏡，通常轉(zhuǎn)鏡只需保證勻速旋轉(zhuǎn)即可，無需變速或其他特殊控制，轉(zhuǎn)鏡方案（法雷奧為代表）是第一個過車規(guī)、成本可控，可滿足車企性能要求，且實現(xiàn)批量供貨的技術(shù)方案。

【注：圖2-5均來源于鐳神智能官網(wǎng)】

2轉(zhuǎn)鏡+振鏡掃描方案

轉(zhuǎn)鏡＋振鏡也是較為成熟的激光雷達技術(shù)方案，與單獨的轉(zhuǎn)鏡方案不同，轉(zhuǎn)鏡+振鏡方案靈活度較高，能夠支持 ROI 設(shè)計（密集掃描重點關(guān)注區(qū)域，其他區(qū)域保持常規(guī)掃描頻率）。轉(zhuǎn)鏡方案中收發(fā)模塊保持不動，電機在帶動轉(zhuǎn)鏡運動的過程中將光束反射到空間一定范圍中，從而實現(xiàn)掃描探測。

圖達通的獵鷹 (Falcon)激光雷達采用的就是轉(zhuǎn)鏡+振鏡方案，而且作為蔚來NT2.0平臺的Aquila超感系統(tǒng)標配已實現(xiàn)量產(chǎn)交付，可以實現(xiàn)最遠500米的探測距離，250米的標準探測距離，最高可以達到0.05°*0.05°的角分辨率；其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖4所示，其中轉(zhuǎn)鏡負責(zé)水平掃描，振鏡負責(zé)垂直掃描，轉(zhuǎn)鏡采用的是五邊形能夠達到120度的水平視場角，棱鏡棱數(shù)越多水平視場角就越小，實際中采用的是光纖一分四，四線同時掃描。

此種設(shè)計的一大優(yōu)勢在于能夠動態(tài)調(diào)節(jié)ROI，靈活調(diào)整感興趣區(qū)域，更好地追蹤目標，更好的保障L2+輔助駕駛對安全的要求；其實現(xiàn)方式是在垂直方向上，可以降低振鏡在某一角度區(qū)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)速度，則對應(yīng)垂直角度范圍內(nèi)掃描點會更密集，由于轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)速是恒定不變的，因此只需周期性提升激光器點頻，在特定的水平視場角內(nèi)也可以實現(xiàn)設(shè)定的ROI（圖7）。

【注：圖6-7均來源于未來智庫】

3MEMS振鏡掃描方案

MEMS振鏡是半固態(tài)激光雷達的另一種主流路線，在MEMS方案中激光收發(fā)模塊固定不動，微振鏡在靜電、電磁、電熱或壓電驅(qū)動下運動，整體方案取消了笨重的電機、轉(zhuǎn)鏡等機械運動部件，提高了激光雷達的可靠性。

速騰M1就是采用MEMS掃描模式的代表，其整機具備5個激光收發(fā)模組，與收發(fā)模組對應(yīng)的是5個固定反射鏡，激光器的光束經(jīng)過反射鏡反射到中央的MEMS振鏡上，并隨著MEMS振鏡的不斷振動實現(xiàn)5條光束的同時掃描（圖9）。

由于MEMS振鏡振動的角度范圍比較有限，所以實現(xiàn)水平方向較大的掃描角度時需要5個激光器各自負責(zé)20多度的一個扇區(qū)，拼合起來實現(xiàn)與轉(zhuǎn)鏡路線相同的水平視場角（圖10-圖11）。

M1激光雷達可以實現(xiàn)200米的測距，幀率10Hz，如下圖12所示通過5個激光器的掃描視場拼接，可以實現(xiàn)120°*25°的視場角，水平和垂直的平均角分辨率0.2°，幀率和分辨率也可以根據(jù)需要來動態(tài)調(diào)節(jié)。

MEMS方案通過高速振動的微振鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械旋轉(zhuǎn)裝置，可以減少激光器和探測器的使用數(shù)量，降低成本和體積。但MEMS本身就是由非常細小的懸臂梁來固定和控制的，在車載環(huán)境下的振動和沖擊會影響微振鏡的使用壽命。同時，要想提高MEMS的探測距離，還需要提高鏡面尺寸，MEMS振鏡的成本也相應(yīng)就越大。

【注：圖8-11均來源于速騰聚創(chuàng)官網(wǎng)，圖12來源未來智庫】

4雙楔形棱鏡掃描方案

雙楔形棱鏡是Livox主要采用的掃描方案，其由兩塊同軸放置的楔形棱鏡組成，隨著兩個棱鏡以不同速度旋轉(zhuǎn)，將在前方掃出類似花瓣狀的圖樣（圖13）。

這一方案最大的優(yōu)勢在于成本低、節(jié)約激光器和接收器，Livox Mid-40官網(wǎng)售價僅￥3999，采用獨特的非重復(fù)掃描方式，視場覆蓋率將隨時間推移而顯著提高，可減小視場內(nèi)物體被漏檢的概率。

如下圖14-15所示，當積分時間為 0.1 s 秒時，覓道-40 的視場覆蓋率與 32 線產(chǎn)品相近；當積分時間為 0.5 s 秒時，覓道-40 的視場覆蓋率與 64 線產(chǎn)品相當。

隨著積分時間的繼續(xù)增加，最終視場覆蓋率接近 100%（圖16）。

電機的轉(zhuǎn)速限制了掃描的幀率，所以產(chǎn)品的主要應(yīng)用場景為移動機器人、配送機器人、安防、測繪、車路協(xié)同等方向（圖17）。

LIVOX新推出的車規(guī)級激光雷達浩界HAP官網(wǎng)售價￥7999，其掃描方式采用巧妙的旋鏡式類固態(tài)技術(shù)方案，與覓道Mid40采用的是相同原理，不同的是HAP 探測距離提升至150米，橫向視場角為120°，相比縱向的掃描范圍明顯增加（圖18）。

如下圖19所示，其實現(xiàn)方式是在兩片楔形棱鏡的基礎(chǔ)上再加一片，通過三片棱鏡的旋轉(zhuǎn)配合來實現(xiàn)類似矩形的掃描區(qū)域，HAP 角分辨率高達 0.18°*0.23°, 其中感興趣區(qū)域（ROI, Region of Interest）的點云密度可等效 144 線激光雷達，可以實現(xiàn)“超幀率”探測，即在汽車行駛過程中，HAP的感興趣區(qū)域?qū)詢杀队谄渌麉^(qū)域的頻率進行掃描。

更密的點云輸出帶來更豐富的環(huán)境感知，讓算法可以更精準地檢測到遠處行人、自行車、雪糕桶等細小目標物體，為高速行駛或復(fù)雜場景中的道路交通參與者提供更高級別的安全保障。

【注：圖13來源未來智庫，圖14-19均來源于Livox官網(wǎng)】

5全固態(tài)激光雷達方案

相比當前量產(chǎn)落地的MEMS、轉(zhuǎn)鏡、棱鏡等半固態(tài)激光雷達，全固態(tài)激光雷達整個機身完全沒有運動部件，所以更容易滿足車規(guī)要求，既能在批量生產(chǎn)時更好地保障產(chǎn)品一致性，在裝車以后也能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的使用環(huán)境，保證產(chǎn)品可靠性，同時其還具備數(shù)據(jù)點采樣均勻準確、體積小方便集成、成本低等優(yōu)點，可將固態(tài)激光雷達作為傳感模塊，這對于未來自動駕駛提供了無限可能。

全固態(tài)激光雷達從原理上來講類似于攝像頭，不同點在于全固態(tài)激光雷達接收其發(fā)射的主動光，所以多了一個發(fā)射模塊。全固態(tài)激光雷達在短時間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，通過高度靈敏的接收器，來完成對環(huán)境周圍圖像的繪制（圖20）。

目前市面上絕大多數(shù)車規(guī)級激光雷達均為半固態(tài)方案，而且各種方案都已具備車規(guī)級量產(chǎn)案例，半固態(tài)相比機械式的核心優(yōu)勢在于成本與車規(guī)；對于轉(zhuǎn)鏡類激光雷達，具體方案上轉(zhuǎn)鏡可以單獨工作，也可以搭配振鏡，或采用線光斑掃描等方式，而轉(zhuǎn)鏡加振鏡方式的一大優(yōu)勢在于能夠靈活調(diào)節(jié)ROI；而MEMS方案由于振鏡的尺寸以及振動的角度范圍有限，要實現(xiàn)大視場角的掃描需要多個激光器進行視場拼接，對于裝配精度和穩(wěn)定性等要求較高；而對于楔形棱鏡同軸旋轉(zhuǎn)的方案，優(yōu)勢在于成本低、節(jié)約激光器和接收器，而劣勢在于幀率不足外圈掃描點數(shù)不足。

激光雷達在短期維度的主流方案為半固態(tài)的MEMS、轉(zhuǎn)鏡式，主要原因在于半固態(tài)在硬件架構(gòu)上做了簡化，使得制造成本降低，是當前最接近車規(guī)級應(yīng)用的方案；但是從長期維度、技術(shù)維度來看純固態(tài)為最優(yōu)方案，一方面在于其通過半導(dǎo)體工藝能把激光雷達一些核心部件集成在芯片上，集成度進一步提高的同時成本降低；另一方面在于全固態(tài)激光雷達不僅體積小，而且由于沒有運動部件，可靠性也更高。