戲說激光雷達(dá)，無用論是真的嗎？

“傻子才用激光雷達(dá)！就像人身上長了一堆闌尾一樣無用！”

　　有一天，“鋼鐵俠”馬斯克說了這樣一席話：

　　當(dāng)他公開說出這句話的時(shí)候，我們所認(rèn)知的自動(dòng)駕駛領(lǐng)域就被分為了視覺攝像頭派和激光雷達(dá)派兩種。當(dāng)然，且不說馬斯克的激光雷達(dá)無用論是否準(zhǔn)確，但是激光雷達(dá)確實(shí)已成為現(xiàn)在各個(gè)車企發(fā)展的重點(diǎn)，前不久的2021廣州車展就是一個(gè)很好的例子，大量的激光雷達(dá)被裝配在一些新車之上。所以看來，激光雷達(dá)已經(jīng)成為各大車企實(shí)現(xiàn)高級(jí)自動(dòng)駕駛的重要一環(huán)。那么，它真如馬斯克嘴里說的那么“無用”嗎？

初識(shí)激光雷達(dá)

　　激光雷達(dá)英文為Lidar（Light Detection and Ranging），是以激光為載體進(jìn)行測距和探測的傳感器。而它也屬于雷達(dá)的一種，但有別于我們常見的毫米波雷達(dá)和超聲波雷達(dá)，激光雷達(dá)是采用激光束來進(jìn)行探測。

　　早在激光雷達(dá)推出以前，主流的車企輔助駕駛都采用了以毫米波雷達(dá)和攝像頭為核心的感知機(jī)構(gòu)。首先，毫米波雷達(dá)是一種用天線發(fā)射毫米波作為放射波的雷達(dá)傳感器，通過處理目標(biāo)反射信號(hào)獲取汽車與其他物體相對(duì)距離、相對(duì)速度、角度及運(yùn)動(dòng)方向等物理環(huán)境信息。不過，毫米波雷達(dá)只能簡單地獲取前方是否有障礙物，但無法對(duì)障礙物的類別進(jìn)行精準(zhǔn)的識(shí)別，而這就會(huì)造成“幽靈剎車”的現(xiàn)象發(fā)生。

　　一般來說，傳統(tǒng)的毫米波雷達(dá)會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)算法的問題，自動(dòng)過濾掉靜止物體，但是不同的硬件和系統(tǒng)方案，過濾的程度不太一樣，這也是“幽靈剎車”的來源。比如，對(duì)不具備危險(xiǎn)的障礙物過濾得太少，當(dāng)路上的一些金屬碎片產(chǎn)生反射時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)類似的緊急剎車，因此路上的路牌、高速攝像頭的龍門架、兩側(cè)的護(hù)欄、甚至路上的一個(gè)金屬瓶子等等，諸如此類可以反射回波的物體都會(huì)被毫米波雷達(dá)識(shí)別為障礙物，因此導(dǎo)致在車輛開啟自動(dòng)駕駛的時(shí)候，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)車輛采取減速、誤剎的現(xiàn)象。

　　而車載攝像頭作為輔助駕駛的必備傳感器之一，其能夠感知車輛周圍的情況并實(shí)現(xiàn)前向碰撞預(yù)警、車道偏離預(yù)警、行人檢測、自動(dòng)泊車等自動(dòng)駕駛功能，實(shí)現(xiàn)駕駛安全性的提升。另外，車載攝像頭也會(huì)因?yàn)槠湓O(shè)置的位置不同，擁有一定的需求特性及應(yīng)用場景，是一個(gè)非常系統(tǒng)的存在。其中，對(duì)于環(huán)視和后視，一般采用135度以上的廣角鏡頭，探測距離在10米以內(nèi)，前置攝像頭對(duì)視距要求更大，一般采用40-70度的視角范圍，視距要求一般在120米以上，雙目攝像頭視距一般小于單目。

　　不過，攝像頭作為車載傳感器也存在一些不足，包括識(shí)別精度較低，容易受強(qiáng)光、雨幕、大霧等惡劣天氣影響等?，F(xiàn)階段單獨(dú)依靠攝像頭識(shí)別，無法滿足自動(dòng)駕駛對(duì)環(huán)境感知需求。所以激光雷達(dá)的優(yōu)勢，就被體現(xiàn)在對(duì)物體識(shí)別低誤差這里。

開天辟地的激光雷達(dá)

　　激光，它最初的中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞頭一個(gè)字母組成的縮寫詞。意思是“通過受激輻射光擴(kuò)大”。之后，我國兩彈一星的元?jiǎng)族X學(xué)森院士把它改為了現(xiàn)在我們所稱的激光（光受激輻射）。

　　其實(shí)早在1916年，愛因斯坦就發(fā)現(xiàn)了激光的原理，但44年后的1960年7月，美國休斯實(shí)驗(yàn)室的西奧多·梅曼，發(fā)明了人類歷史上第一臺(tái)激光器。為了達(dá)到“燃燒”所需要的條件，他用高強(qiáng)閃光燈管來激發(fā)紅寶石，最終促成了真正意義上的激光。而就在它“出道”的第二年，也就是1961年，科學(xué)家們就提出了激光雷達(dá)的設(shè)想。

西奧多·梅曼

　　因?yàn)榧す獾闹赶蛐苑浅５膹?qiáng)，并且融合了光垂直的物理特性，因此作為測距工具再好不過。1967年7月，美國人進(jìn)行了第一次載人登月飛行，就在月球上安裝了一個(gè)發(fā)射裝置用于測算地球和月球的距離。

按在月球上的激光反射鏡

　　1969年7月21日，乘坐“阿波羅11號(hào)”登月的宇航員尼爾·阿姆斯特郎和巴茲·奧爾德林在月球上的“寧靜?！钡顷懞?，將月球激光反射鏡留在了月球上，而在20世紀(jì)60年代末70年代初，人類送上月球的“隅角鏡”（月球激光反射鏡）共有5面。其作用可以讓地球上的天文學(xué)家向它發(fā)射激光，并捕捉到反射回來的光束。

　　不過，真正將激光雷達(dá)作為民用量產(chǎn)傳感器來使用的，是在一個(gè)掃地機(jī)器人之上。

　　2002年，美國的軍用機(jī)器人公司iRobot嘗試將機(jī)器人技術(shù)與掃地功能相結(jié)合，其首款量產(chǎn)的掃地機(jī)器人Roomba 400就這么出現(xiàn)了。一經(jīng)投入市場之后即大受歡迎，當(dāng)年就銷售出去將近10萬臺(tái)。但是，在當(dāng)時(shí)的機(jī)器人由于感知設(shè)備不完善，所以在工作狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生出“走位不準(zhǔn)”的現(xiàn)象。于是，在2010年，另一家名為Neato的公司把激光雷達(dá)安在了掃地機(jī)器人上面，推出了Neato XV-11。

　　它通過一個(gè)可以360度旋轉(zhuǎn)的激光發(fā)射裝置，實(shí)時(shí)對(duì)地面障礙物進(jìn)行測距來完成地面建模，之后在配合SLAM（simultaneous localization and mapping，同步定位與建圖）算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地面的“全局規(guī)劃式”清掃?？梢哉f這個(gè)革命性的配備，正式拉開了掃地機(jī)器人普及。

　　其實(shí)明眼人一下子就能看出，這個(gè)掃地機(jī)器人就是一個(gè)低配版的自動(dòng)駕駛，那既然掃地機(jī)器人吃了“螃蟹”，那自動(dòng)駕駛汽車是不是也可以配個(gè)激光雷達(dá)呢？20世紀(jì)80年代末，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）由一輛雪佛蘭廂式貨車改造成了世界上第一輛自動(dòng)駕駛車輛Navlab 1，它安裝了激光雷達(dá)和GPS接收器。貨車內(nèi)部則看上去有些像電視臺(tái)的監(jiān)視車，堆滿了監(jiān)控路況和控制空調(diào)機(jī)組的電腦，其中包括了一個(gè)Warp超級(jí)計(jì)算機(jī)、3個(gè)SUN工作站以及視頻硬件等。

Navlab 1

　　不過由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，支配這款車自動(dòng)駕駛的設(shè)備非常的龐大，包含攝像機(jī)、激光測距儀，20千瓦的車載電源，Wrap超級(jí)計(jì)算機(jī)和幾臺(tái)Sun 3和4工作站，陀螺儀，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以及衛(wèi)星定位系統(tǒng)等，并且還搭載了幾個(gè)英特爾386實(shí)時(shí)處理器，用于處理傳感器信息和生成車輛運(yùn)動(dòng)指令?？梢哉f這輛車是帶了一個(gè)“計(jì)算機(jī)房”參與工作，幾乎占滿了車廂的空間。

Navlab 1內(nèi)部

　　在之后的十幾年中，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，一些更為接近實(shí)用的自動(dòng)駕駛車輛被相應(yīng)推出，直到2014年，自動(dòng)駕駛車輛開始步入正軌，而激光雷達(dá)也逐漸的迎來了新一輪的發(fā)展。

認(rèn)知激光雷達(dá)

　　那么，激光雷達(dá)究竟是什么呢？那我們就先從它的原理說起。

　　一般在家庭裝修的時(shí)候，設(shè)計(jì)師要測量屋內(nèi)的尺寸面積時(shí)，往往會(huì)拿著一個(gè)激光測距儀來進(jìn)行探測，比如這個(gè)：

　　其實(shí)激光雷達(dá)的原理也和其相像，可以看做是拿多個(gè)激光測距儀工作，再比如這個(gè)：

　　細(xì)致來講，激光雷達(dá)通過測量激光信號(hào)的時(shí)間差和相位差來確定距離，并利用多譜勒成像技術(shù)繪制出目標(biāo)清晰的3D圖像。激光雷達(dá)通過發(fā)射和接收激光束，分析激光遇到目標(biāo)對(duì)象后的折返時(shí)間，計(jì)算出到目標(biāo)對(duì)象的相對(duì)距離，并利用此過程中收集到的目標(biāo)對(duì)象表面大量密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，快速得到出被測目標(biāo)的三維模型以及線、面、體等各種相關(guān)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。

　　由于光速非常快，飛行時(shí)間可能非常短，因此要求測量設(shè)備具備非常高的精度。從效果上來講，激光雷達(dá)維度（線束）越多，測量精度越高，安全性就越高。

　　利用能探測到單光子的超高速攝像機(jī)，科學(xué)家首次捕捉到了激光在空氣中飛行的畫面（圖片源于網(wǎng)絡(luò)）

　　在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，激光雷達(dá)=激光發(fā)射+激光接收+信息處理+掃描系統(tǒng)。這些機(jī)構(gòu)各司其職，共同輔佐來完成整個(gè)探測的工作。

　　具體來看，首先激光發(fā)射系統(tǒng)中激勵(lì)源周期性地驅(qū)動(dòng)激光器，發(fā)射激光脈沖，激光調(diào)制器通過光束控制器控制發(fā)射激光的方向和線數(shù)，最后通過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，將激光發(fā)射至目標(biāo)物體。而這需要掃描系統(tǒng)的支持，以穩(wěn)定地轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)起來實(shí)現(xiàn)對(duì)所在平面的掃描，并產(chǎn)生實(shí)時(shí)的平面圖信息。

　　之后，激光接收系統(tǒng)的光電探測器接受目標(biāo)物體反射回來的激光，便會(huì)產(chǎn)生接收信號(hào)傳輸?shù)叫畔⑻幚硐到y(tǒng)將信號(hào)放大處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換，在由信息處理模塊計(jì)算，獲取目標(biāo)表面形態(tài)、物理屬性等特性，最終建立物體模型。

　　作為“非專業(yè)小白”的我們，在面對(duì)市場上琳瑯滿目的激光雷達(dá)產(chǎn)品，該怎么去認(rèn)知性能的好壞呢？一般來講，激光雷達(dá)注重的參數(shù)很多，包括激光的波長、探測距離、FOV(垂直+水平)、測距精度、角分辨率、出點(diǎn)數(shù)、線束、安全等級(jí)、輸出參數(shù)、IP防護(hù)等級(jí)、功率、供電電壓、激光發(fā)射方式(機(jī)械/固態(tài))、使用壽命等。

　　但是作為我們，只要專注想數(shù)即可。那他們又分別是什么呢？我們來一個(gè)一個(gè)說。

激光波長

　　波長是指波在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)傳播的距離，激光的波長越大，其繞射的能力就越強(qiáng)，對(duì)于遠(yuǎn)處的不規(guī)則物體的識(shí)別就越清晰。目前在市面上所搭載的激光雷達(dá)波長分為905nm和1550 nm兩種。其中，波長為905nm的激光雷達(dá)采用硅基光電探測器為發(fā)射源，且具有成本較低和技術(shù)成熟的優(yōu)勢。不過它也有缺點(diǎn)，就是905nm激光源對(duì)于人眼有一定傷害。雖然它屬于不可見光源，但是在一定的能量下，該波長的激光照射人類眼球時(shí)，會(huì)灼傷視網(wǎng)膜，所以在被用作激光雷達(dá)發(fā)射源時(shí)要降低功率，因此其抗天氣干擾能力卻偏弱，對(duì)雨霧的穿透力不足。

　　而1550 nm激光雷達(dá)采用銦鎵砷(InGaAs)近紅外探測器為發(fā)射源，它的激光遠(yuǎn)離人眼吸收的可見光光譜，相比于905 nm激光,同等功率的1550 nm激光人眼安全性提高40倍，具有較高的安全性。因此完全可以全功率運(yùn)行，在對(duì)于極端天氣環(huán)境有著較高的穿透性（1550nm的透過率為0.65，905nm的透過率僅為約0.51）。不過，它的缺點(diǎn)也很明顯，就是整體的價(jià)位要高于905nm激光雷達(dá)，并系統(tǒng)的體積尺寸也高于前者，因此無法安裝在車頭位置，只能安裝在車頂之上。

探測距離

　　激光雷達(dá)的測距與目標(biāo)的反射率相關(guān)，反射率就是射到目標(biāo)物的激光能夠被反射回來的比率，目標(biāo)反射率越高，雷達(dá)能夠檢測到的有效回波就越多，所以能測量的距離越遠(yuǎn)。所以在激光雷達(dá)產(chǎn)品的參數(shù)表中，200m 10%反射率的意思就是激光束在200m的距離中能夠識(shí)別最低10%光線反射率的物體（白紙），所以如果一家激光雷達(dá)廠商在發(fā)布產(chǎn)品的時(shí)候，只提最遠(yuǎn)探測距離而不提小于10%的反射率，那絕對(duì)是不負(fù)責(zé)任的行為。

測距精度

　　這里是指探測距離的精確度，一般以厘米計(jì)，探測精度越高，3D景深刻畫的越準(zhǔn)。

　　一般來說，激光雷達(dá)的距離探測原理有兩種，一種是三角測距法，另一個(gè)就是TOF測距法。

　　首先，三角測距法的原理是：當(dāng)激光源發(fā)射出的激光信號(hào)以一定的入射角照射到了一個(gè)物體表面之后，產(chǎn)生了一個(gè)反射的現(xiàn)象。而反射出來的光斑經(jīng)過了一個(gè)光學(xué)透鏡后成像在CCD傳感器上。而當(dāng)要被測量的物體沿激光方向發(fā)生移動(dòng)時(shí)，CCD上的光斑就會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)，并通過光斑移動(dòng)距離來計(jì)算出被測物體與基線的距離值。所以，整體的測量需要由入射光、反射光構(gòu)成一個(gè)三角形來算出目標(biāo)物體與雷達(dá)的距離值、相對(duì)方位角度值。

　　而TOF測距法就是激光器在發(fā)射一個(gè)激光脈沖的同時(shí)，由計(jì)時(shí)器來記錄下發(fā)出的時(shí)間，回返光由接收器接收并距離下時(shí)間，兩個(gè)時(shí)間相減，得到“飛行時(shí)間”，再由光速計(jì)算出距離。

　　兩者雖然都是根據(jù)光的傳播來確定目標(biāo)的距離，但三角雷達(dá)只有在近距離的時(shí)候其精度最高，如果探測遠(yuǎn)距離目標(biāo)后，隨著探測距離原來越遠(yuǎn)，目標(biāo)圖像在CCD傳感器上的位置差和角度也越來越小，當(dāng)測量值超過某一距離后，CCD幾乎無法分辨，因此不適合遠(yuǎn)距離測量。而TOF采用脈沖激光采樣，依賴飛行時(shí)間，時(shí)間精度并不會(huì)隨著長度增加而變化，同時(shí)TOF能嚴(yán)格控制視場以減少環(huán)境光的影響。相比三角測距法，TOF雷達(dá)可以測量的距離更遠(yuǎn)，并且可以在長距離范圍內(nèi)保持較高精度。

激光線束

　　在我們?nèi)チ私饧す饫走_(dá)的時(shí)候，往往聽的最多參數(shù)就是這個(gè)款激光雷達(dá)是多少線束的，那么線束的多少與其關(guān)系究竟是什么呢？

　　一般來說，激光雷達(dá)分為單線和多線兩種，而多線還可以繼續(xù)細(xì)分4線、8線、16線、32線、64線、128線。其實(shí)，這里的線束所指的是激光雷達(dá)所發(fā)射出的激光信號(hào)，而單線激光雷達(dá)只能進(jìn)行平行掃射探索而不能垂直掃射探索，因此雖然在掃描速度和分別率上有著不錯(cuò)的表現(xiàn)，但由于無法測量物體的高度，因此在使用上有很大的局限性，因此只能用于伺服機(jī)器人上使用，也就是掃地機(jī)器人之上等。

幾個(gè)品牌之間的50米外照射人身線束對(duì)比（圖片源于網(wǎng)絡(luò)）

　　多線激光雷達(dá)，顧名思義，它可以發(fā)射出多條激光信號(hào)，可以有效地測量出物體的高度輪廓等，并且線束越多，測量的出輪廓的精度就越高，當(dāng)然，處理的數(shù)據(jù)量越大，對(duì)硬件要求也就越高，價(jià)格自然也就越貴。

　　FOV(垂直+水平)這個(gè)指標(biāo)如果用大白話說就是激光雷達(dá)的探索視野大小，我們常見的那種在車輛頭頂360度旋轉(zhuǎn)的激光雷達(dá)，它的水平FOV是360度。而固態(tài)激光雷達(dá)的水平FOV會(huì)小一些，其中120度已經(jīng)算是大視角了，因此水平FOV越大，能夠探測的范圍越廣。而垂直的FOV一般在多線雷達(dá)上可以被體現(xiàn)，它所指的是最上面一束激光和最下面一束激光形成的夾角。而大部分的激光雷達(dá)的垂直FOV都會(huì)將視野偏下靠地面一些，度過水平為0度，那么上15度，向下25度，這樣垂直FOV就是40度。這樣做最大的原因就是可以讓雷達(dá)探測到更多的地面車輛和行人目標(biāo)，以保證行駛中掃描的精確性。

角分辨率

　　激光雷達(dá)輸出的圖像也被稱為“點(diǎn)云”圖像，相鄰兩個(gè)點(diǎn)之間的夾角就是角分辨率，一般來說角分辨率分為兩種，一個(gè)是垂直分辨率，另一個(gè)是水平分辨率。其中，水平方向上做到高分辨率其實(shí)不難，因?yàn)樗椒较蛏鲜怯呻姍C(jī)帶動(dòng)的，所以水平分辨率可以做得很高。一般可以做到0.01度級(jí)別。垂直分辨率是與發(fā)射器幾何大小相關(guān)，也與其排布有關(guān)系，就是相鄰兩個(gè)發(fā)射器間隔做得越小，垂直分辨率也就會(huì)越小，垂直分辨率為0.1~1度的級(jí)別。另外，由于激光雷達(dá)的采樣率是一定的，因此幀率越高，角分辨率越低；幀率越低，角分辨率越高。

　　比如上圖的這款激光雷達(dá)的最小角分辨率0.08°對(duì)應(yīng)的是幀率10Hz的條件下，當(dāng)幀率設(shè)置為20Hz時(shí)，角分辨率自動(dòng)變成0.16°。采樣率表示激光雷達(dá)每秒鐘進(jìn)行有效采集的次數(shù)，可直觀理解為一秒內(nèi)產(chǎn)生的點(diǎn)云數(shù)目。采樣率可以通過角分辨率和幀率計(jì)算：角分辨率0.08°時(shí)，每一幀的點(diǎn)云數(shù)目：360°/0.08°=4500；每秒10幀，則每秒的點(diǎn)云數(shù)目：4500×10=45000；所以PAVO的采樣率為45kHz。

出點(diǎn)數(shù)

　　這個(gè)就好理解了，它就是每秒激光雷達(dá)發(fā)射的激光點(diǎn)數(shù)。激光雷達(dá)的點(diǎn)數(shù)一般從幾萬點(diǎn)至幾十萬點(diǎn)每秒左右。比如，一個(gè)性能為64線，水平FOV是120°，水平分辨率在10Hz的掃描頻率下是0.2°的情況下，其換算等于：激光單次可以打出64點(diǎn)，掃描一次120°能打出64x120/0.2=38400，1秒掃描10次，一共有384000 pts/s。所以出點(diǎn)數(shù)越多，掃描的效果越好。

　　除了以上幾點(diǎn)，激光雷達(dá)還要注重的，就是對(duì)深色物體檢出率和對(duì)環(huán)境光抗干擾能力。

深色物體檢出率

　　在我們生活的這個(gè)世界中，萬物的顏色五彩斑斕，但這其中的深色物會(huì)吸收大部分的光能（如：被涂黑的自制太陽能熱水器），因此激光雷達(dá)的激光信號(hào)打在白色物體與深色物體的檢出率是截然不同的，何況現(xiàn)在生活中大部分的物體都是以深色為主，因此激光雷達(dá)對(duì)深色物體的檢出率非常重要。

　　目前，市場上所銷售的激光雷達(dá)都是以90%反光率的白紙（漫反射物體）作為測試參考基準(zhǔn)，但對(duì)于深色數(shù)據(jù)的有效檢出也同樣是一個(gè)重要的性能指標(biāo)。起碼正常情況下一款號(hào)稱有10米以上的激光雷達(dá)，至少能實(shí)現(xiàn)6米以上的深色物體的有效檢測才可以。

環(huán)境光抗干擾能力

　　除了對(duì)深色物體的探測外，環(huán)境光也會(huì)對(duì)激光雷達(dá)的探測產(chǎn)生影響，這其中就包括了太陽光或者室內(nèi)的燈光等，它們都會(huì)對(duì)雷達(dá)傳感器產(chǎn)生影響而產(chǎn)生噪點(diǎn)，并且也會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)的有效測量距離變短或者完全無法進(jìn)行距離測量。所以能否區(qū)分環(huán)境光，這對(duì)激光雷達(dá)的調(diào)教與系統(tǒng)和算法有著很高的要求。

探知激光雷達(dá)的類別

　　以上說得只是激光雷達(dá)的工作方式，如果按照掃描方式的不同，它又可以分為旋轉(zhuǎn)機(jī)械式激光雷達(dá)、混合半固態(tài)雷達(dá)和全固態(tài)雷達(dá)。

機(jī)械式激光雷達(dá)

　　機(jī)械式激光雷達(dá)一般都采用了360度旋轉(zhuǎn)式掃描方式，可以對(duì)四周的環(huán)境進(jìn)行物理旋轉(zhuǎn)3D掃描，以此形成全面的覆蓋形成點(diǎn)云。

　　不過它也有缺點(diǎn)，首先高頻的轉(zhuǎn)動(dòng)和復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)致使其平均的失效時(shí)間僅1000-3000小時(shí)，難以達(dá)到車規(guī)級(jí)設(shè)備最低13000小時(shí)的要求。并且機(jī)械式激光雷達(dá)的放置位置要放在車輛的最高點(diǎn)，所以不僅占地太高，還需對(duì)車輛的頂部進(jìn)行加固改造，對(duì)車輛的重心安全帶來了影響，另外制約它最重要的一點(diǎn)就是——貴！八萬起，還必須是美刀。

純固態(tài)激光雷達(dá)

　　純固態(tài)激光雷達(dá)相比于前邊提到的機(jī)械式結(jié)構(gòu)雷達(dá)而言，由于沒有了復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，因此在產(chǎn)品耐久度有巨大的提升，并且整體設(shè)備的體積大小也被有效的壓縮。目前市面上常見的固態(tài)雷達(dá)分為OPA光學(xué)相控陣和Flash閃光兩種。

OPA（Optical Phased Array）光學(xué)相控陣激光雷達(dá)

　　在提到這個(gè)形式的激光雷達(dá)前，我們先來了解一下什么叫相陣控。

　　在我們生活中最常見的例子就是水波。比如：在一個(gè)方形的池子中，兩處因震動(dòng)而產(chǎn)生的兩處水波會(huì)在交匯的地方產(chǎn)生相互疊加現(xiàn)象。如果有的方向兩列波互相增強(qiáng)，有的方向則正好抵消，就可以輕易地控制水波的方向了。

　　所以如果基于這個(gè)現(xiàn)象，將采用多個(gè)光源組成陣列，通過控制各光源發(fā)射的時(shí)間差，就能合成角度靈活，且精密可控的主光束，這就是相控陣的原理?，F(xiàn)實(shí)中，常見運(yùn)用該原理的設(shè)備就是軍事上常用的相陣控雷達(dá)了。通過控制相控陣?yán)走_(dá)平面陣列各個(gè)陣元的電流相位，利用相位差可以讓不同的位置的波源會(huì)產(chǎn)生干涉，從而指向特定的方向。往復(fù)控制相位差便可以實(shí)現(xiàn)掃描的效果。

　　常見的軍用相陣控雷達(dá)如美國安放在“阿利·伯克級(jí)”驅(qū)逐艦上的AN/SPY-1D“宙斯盾”相陣控雷達(dá)和我國052C導(dǎo)彈驅(qū)逐艦上配置的346“海之星”相陣控雷達(dá)。

　　“阿利·伯克級(jí)”驅(qū)逐艦上的AN/SPY-1D“宙斯盾”相陣控雷達(dá)

　　我國052C導(dǎo)彈驅(qū)逐艦上配置的346“海之星”相陣控雷達(dá)

　　在激光雷達(dá)上，也同樣利用了相位差控制干涉讓激光“轉(zhuǎn)向”特定的角度，往復(fù)控制實(shí)現(xiàn)掃描效果，而這被稱之為光波導(dǎo)陣列。

　　光波導(dǎo)陣列通過加電方式來實(shí)現(xiàn)光束掃描，利用光波導(dǎo)電光效應(yīng)，對(duì)波導(dǎo)芯層加載電壓，使每個(gè)波導(dǎo)芯層具有不同的附加折射率，波束得以在波導(dǎo)陣元輸出截面光場具有不同的附加相位差，相位差按一定規(guī)律分布可引起輸出光速的偏轉(zhuǎn)。通過相位差按照一定規(guī)律分布輸出，從而實(shí)現(xiàn)光束的掃描。

　　不過，這款雷達(dá)在數(shù)據(jù)上雖好，但是在工藝上有著極高的要求。首先，陣列單元尺寸必需不大于半個(gè)波長，因此每個(gè)器件尺寸僅500nm左右，對(duì)材料和工藝的要求都極為苛刻，因此成本也相應(yīng)的居高不下，所以再市場的運(yùn)用上不是很高。

Flash閃光激光雷達(dá)

　　Flash閃光激光雷達(dá)的原理是短時(shí)間向前方發(fā)射大面積覆蓋的激光，就好比連續(xù)打開的手電筒，通過高度靈敏的接收器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境周圍圖像的繪制。Flash激光雷達(dá)的原理類似于拍照，但最終生成的數(shù)據(jù)包含了深度等3D數(shù)據(jù)，而它也是目前純固態(tài)激光雷達(dá)最主流的技術(shù)方案。

　　不過，由于是在短時(shí)間內(nèi)發(fā)射大面積激光，因此在探測距離上有了一定限制，基本應(yīng)在低速無人車之上。

混合固態(tài)雷達(dá)

　　如果將機(jī)械雷達(dá)與固態(tài)雷達(dá)的特點(diǎn)稍微結(jié)合一下的話，混合式固態(tài)雷達(dá)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。因?yàn)樵摾走_(dá)在成本、體積等方面更容易得到控制。目前市面上常見的混合固態(tài)雷達(dá)為MEMS振鏡、轉(zhuǎn)鏡、棱鏡模式。

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）振鏡激光雷達(dá)

　　MEMS振鏡激光雷達(dá)是采用控制一個(gè)微小的鏡面扭轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)掃描，而激光發(fā)射器不會(huì)移動(dòng)，那它具體的原理是什么呢？

　　MEMS指微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System），它可以被看做一個(gè)縮小的機(jī)械轉(zhuǎn)鏡。根據(jù)驅(qū)動(dòng)分類，它可以分為電熱驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)和壓電驅(qū)動(dòng)四種方式。并可以平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)（x、y兩個(gè)方向）兩種機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行掃描，可以實(shí)現(xiàn)非常高的掃描頻率。現(xiàn)在用于激光掃描投影的MEMS芯片掃描頻率可以達(dá)到40kHz，相當(dāng)于一秒鐘掃描4萬次。另外，由于取消了馬達(dá)、多棱鏡等較為笨重的機(jī)械運(yùn)動(dòng)設(shè)備，毫米級(jí)尺寸的微振鏡大大減少了激光雷達(dá)的尺寸。

　　不過，雖然MEMS振鏡激光雷達(dá)有著耐久度高和成本低的優(yōu)勢，但振鏡會(huì)受外界溫度、振動(dòng)環(huán)境影響導(dǎo)致諧振頻率變化導(dǎo)致線束紊亂，最終導(dǎo)致成像歪曲等問題，并且MEMS振鏡激光雷達(dá)也會(huì)有信噪比低，有效距離短等問題。雖然增大鏡面尺寸可以有效增加MEMS激光雷達(dá)的精度，但最大偏轉(zhuǎn)角度也會(huì)因此受限，F(xiàn)OV視場角會(huì)更加受限，這對(duì)廠家的工藝與設(shè)計(jì)能力有著很高的要求。

轉(zhuǎn)鏡激光雷達(dá)

　　轉(zhuǎn)鏡激光雷達(dá)則是依靠一個(gè)圍繞中心旋轉(zhuǎn)的反射鏡來進(jìn)行光折射掃描，它在功耗、散熱等方面有著不錯(cuò)的優(yōu)勢。

　　它的缺點(diǎn)也與MEMS振鏡一樣，存在信噪比低，和有效距離短，F(xiàn)OV視場角受限等問題。

棱鏡激光雷達(dá)

　　這種激光雷達(dá)的內(nèi)部一般采用雙楔形棱鏡結(jié)構(gòu)，其中激光在通過第個(gè)楔形棱鏡后發(fā)生一次偏轉(zhuǎn)，之后在通過第二個(gè)楔形棱鏡后再一次發(fā)生偏轉(zhuǎn)。只要控制兩面棱鏡的相對(duì)轉(zhuǎn)速便可以控制激光束的掃描形態(tài)。

　　值得注意的是，棱鏡激光雷達(dá)的掃描軌跡呈花瓣?duì)?，并非我們常見的平行掃描軌跡。這樣的優(yōu)點(diǎn)是只要掃描轉(zhuǎn)速控制得當(dāng)，在同一位置長時(shí)間掃描幾平何以覆蓋整個(gè)區(qū)域，并且它不像傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)一樣讓收發(fā)模塊在進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而避免了類似傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)的多次校準(zhǔn)。

　　但棱鏡激光雷達(dá)最大的不足就是其FOV（視場角）較小，因此需要搭配多個(gè)棱鏡激光雷達(dá)來覆蓋視場補(bǔ)盲。

其它領(lǐng)域的激光雷達(dá)

　　激光雷達(dá)因擁有較高的識(shí)別率，分辨精度等優(yōu)勢，因此除了測距功能外，還發(fā)展出激光跟蹤、激光測速、激光掃描成像等技術(shù)，并被廣泛運(yùn)用到我們生活的周邊設(shè)施之上。

　　比如，我們常見的在3D打印里，就包含了激光雷達(dá)，其主要用來測量和監(jiān)控打印物，以此來減小制作的誤差。而在我們生活的城市中，激光雷達(dá)會(huì)被運(yùn)用到測速方面，其探測的距離相比傳統(tǒng)的測速雷達(dá)要更遠(yuǎn)更精準(zhǔn)。

　　在海洋探索與漁業(yè)資源中，激光雷達(dá)主要被運(yùn)用在漁業(yè)資源調(diào)查和海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測兩方面。其中，業(yè)資源調(diào)查采用藍(lán)綠脈沖光作為激發(fā)光源，通過對(duì)激光回波信號(hào)的識(shí)別提取以獲得魚群分布區(qū)域和密度信息，結(jié)合偏振特征分析可對(duì)魚群種類進(jìn)行識(shí)別。而海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測常采用海洋激光熒光雷達(dá)，通過對(duì)激光誘導(dǎo)目標(biāo)物發(fā)射的熒光等光譜信號(hào)的探測分析以獲得海洋浮游生物及葉綠素等物質(zhì)的種類和濃度分布信息。

　　除此之外，激光雷達(dá)還可以被運(yùn)用在險(xiǎn)情預(yù)報(bào)、醫(yī)學(xué)掃描、軍事偵測等方面，非常的廣泛。