激光雷达（LiDAR）技术方案与工作原理全解析

在自动驾驶、智慧城市、机器人导航等众多前沿科技领域，激光雷达（LiDAR，Light Detection and Ranging）正扮演着愈发关键的角色。它凭借高精度、高分辨率的探测能力，为各类智能系统提供了强大的环境感知支持。本文将深入剖析激光雷达的技术方案与工作原理，带您走进这一前沿传感技术的核心世界。

工作原理：激光束的奇妙探测之旅

激光雷达的工作原理犹如一场精心编排的激光探测之旅。它主要由发射系统、接收系统和信号处理系统三大部分构成。

发射系统如同一位精准的“光束使者”，负责发射出一束对人畜无害的红外激光脉冲。这些激光脉冲以极快的速度射向周围环境中的目标物体。当激光束遇到目标物体时，会发生反射现象，部分光束会沿着原路返回。

接收系统则扮演着“光影捕手”的角色，时刻准备捕捉这些反射回来的激光信号。一旦接收到反射光，接收系统会迅速将其转化为电信号，为后续的处理做好准备。

信号处理系统是整个过程的核心“大脑”，它会对接收到的电信号进行细致入微的分析和处理。通过精确测量激光脉冲从发射到接收所经历的时间（TOF，Time of Flight），再结合已知的光速，根据公式d=21ct（其中d是目标距离，c是光速，t是飞行时间），就能够准确计算出目标物体与激光雷达之间的距离。

不仅如此，激光雷达还能通过对反射信号的强度、频率等特征进行分析，获取目标物体的更多信息，如方位、高度、速度、姿态甚至形状等参数。最终，这些丰富的信息经过处理后，以点云的形式呈现出来。点云是由大量具有三维坐标信息的点组成的数据集合，它就像是一幅三维世界的数字地图，直观地展现了周围环境的详细特征。

技术方案：多种扫描方式的精彩呈现

根据扫描模块的结构差异，激光雷达主要可分为机械式、半固态和固态三大类，每种类型都有其独特的技术特点和适用场景。

机械式激光雷达：经典且成熟的360°环绕扫描

机械式激光雷达是最早进入市场且技术最为成熟的一种方案。它的核心结构是在垂直方向上整齐排布多束激光器，然后通过电机带动整个光电结构进行360°高速旋转。在这个过程中，多束激光同时发射，通过不断旋转发射头，将点连成线，进而形成三维点云。

机械式激光雷达的线数与分辨率成正比，线数越多，分辨率就越高，能够探测到的环境细节也就越丰富。同时，它还具有高测距的特点，能够准确感知远距离的目标物体。例如，一些应用于自动驾驶领域的机械式激光雷达，可以实现对车辆周围环境全方位、高精度的感知，为自动驾驶系统提供可靠的环境数据支持。

然而，机械式激光雷达也存在一些明显的不足。由于需要依赖旋转部件来实现扫描，其结构相对复杂，体积较大，不仅增加了安装和集成的难度，还使得成本居高不下。此外，旋转部件的长期运转会导致磨损，影响雷达的可靠性和使用寿命。

半固态激光雷达：稳定与成本的平衡之选

半固态激光雷达是机械式和纯固态式的一种折中方案，它在保证一定性能的同时，有效降低了成本，提高了系统的稳定性。

以转镜方案为例，其收发模块保持静止不动，电机仅带动转镜进行高速旋转。在转镜旋转的过程中，激光束被反射至空间的不同位置，从而实现对周围环境的扫描探测。这种方案减少了可转动的部位，使得系统更加稳定可靠，同时也降低了制造成本。法雷奥的转镜方案就是其中的典型代表，它是第一个通过车规认证、成本可控，且能够满足车企性能要求并实现批量供货的技术方案。

微振镜方案则采用了高速振动的二维MEMS微振镜来实现对空间的扫描测量。MEMS微振镜是一种在硅基芯片上集成的微小反射镜，通过控制微小的镜面平动和扭转往复运动，将激光反射到不同的角度完成扫描。该方案的技术创新点在于不断开发口径更大、频率更高、可靠性更好的振镜，以适应激光雷达的技术发展需求。

固态激光雷达：未来发展的终极形态

固态激光雷达被视为车载激光雷达的终极形态，它最大的特点是无任何机械运动部件，理论上体积可以缩小到所有方案中的最小尺寸。

其中，OPA（光学相控阵）技术是一种极具潜力的实现方式。它通过施加电压调节每个相控单元的相位关系，利用相干原理，实现发射光束的偏转，从而完成对空间一定范围的扫描测量。OPA技术取消了机械运动部件，具有无惯性器件、精确稳定、方向可任意控制等优点。其工作原理是激光器功率均分到多路相位调制器阵列，光场通过光学天线发射，在空间远场相干叠加形成一个具有较强能量的光束；经过特定相位调制后在光场的发射天线端产生波前的倾斜，从而在远场反映成光束的偏转，通过施加不同相位，可以获得不同角度的光束形成扫描的效果。

Flash技术则采用了类似照相机的工作模式，感光元件的每个像素点可以记录光子飞行的时间信息，由此能够输出具有深度信息的“三维”图像。不过，该技术目前存在视场角（FOV）受限、扫描速率较低等问题，需要进一步的技术突破来解决。

不同技术方案的应用现状与发展趋势

在国内市场，主机厂选择上车的激光雷达主要采用混合固态（包括转镜、棱镜、MEMS）方案。这主要有两方面原因：一是混合固态较机械式激光雷达更易降低成本，同时与纯固态（OPA、Flash）相比，技术相对成熟，更易实现商业化落地；二是转镜方案等混合固态方案在性能、成本和可靠性等方面能够较好地满足当前市场需求。

例如，小鹏P5搭载的2颗激光雷达来自大疆Livox定制版车规级Horiz浩界，采用了双棱镜扫描方案，最大探测距离为150m（@10%反射率），横向视场角120度，角分辨率为0.16°×0.2°，点云密度等效于144线激光雷达，为车辆的自动驾驶功能提供了强大的环境感知能力。

从发展趋势来看，固态激光雷达凭借其体积小、稳定性高、成本低等优势，被认为是未来的主流发展方向。目前，全球众多企业和科研机构都在加大对固态激光雷达技术的研发投入。例如，Quanergy公司已经将相控阵列激光雷达引入商业视野，正研发适用于车内传感系统和无人驾驶汽车的全固态激光雷达。我国的镭神智能、北科天绘、速腾聚创、禾赛科技等企业也开始在MEMS激光雷达领域展开研究，但仍未大规模商用；LeddarTech、北醒科技、光珀智能、华科博创等公司在Flash激光雷达领域不断推出新产品。

然而，要实现全固态、小型化、高性能激光雷达的大规模应用，仍然面临一些技术挑战。例如，需要进一步提高OPA技术的相位调制精度和扫描范围，解决Flash技术的视场角和扫描速率问题等。

激光雷达作为一种先进的激光探测传感器，凭借其独特的工作原理和多样化的技术方案，在众多领域展现出了巨大的应用潜力。随着技术的不断进步和创新，相信激光雷达将在未来为我们带来更多的惊喜和变革，推动智能科技迈向新的高度。

审核编辑 黄宇