新能源汽车无人驾驶之眼激光雷达

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激光雷达(LiDAR)是当前正在改变世界的传感器，它广泛应用于自动驾驶汽车、无人机、自主机器人、卫星、火箭等。激光通过测定传感器发射器与目标物体之间的传播距离（TimeofFlight,TOF），分析目标物体表面的反射能量大小、反射波谱的幅度、频率和相位等信息，输出点云，从而呈现出目标物精确的三维结构信息。

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激光雷达的关键部件按照信号处理的信号链包括控制硬件DSP（数字信号处理器）、激光驱动、激光发射发光二极管、发射光学镜头、接收光学镜头、APD（雪崩光学二极管）、TIA（可变跨导放大器）和探测器。其中除了发射和接收光学镜头外，都是电子部件。光学组件和旋转机械则占具了激光雷达的大部分成本。目前市面上有不同种类的激光雷达，按驱动方式可分为机械式、MEMS、相控阵(OPA)、泛光面阵式(FLASH)。

机械式激光雷达

机械激光雷达，是指其发射系统和接收系统存在宏观意义上的转动，也就是通过不断旋转发射头，将速度更快、发射更准的激光从“线”变成“面”，并在竖直方向上排布多束激光，形成多个面，达到动态扫描并动态接收信息的目的。机械式激光雷达最大的优点是可以通过物理旋转进行3D扫描，对周遭环境进行全面的覆盖形成点云。但机械式激光雷达存在一个致命的缺陷：内部的旋转部件容易损坏，稳定性比较低，会影响行车安全性。

MEMS激光雷达（混合固态）

MEMS型激光雷达主要基于微振镜引导激光束射向不同方向来代替宏观机械式扫描器，可以动态调整自己的扫描模式，以此来聚焦特殊物体，可以采集更远更小物体的细节信息实现对其识别。固态激光雷达的优点包括了：数据采集速度快，分辨率高，对于温度和振动的适应性强；通过波束控制，探测点（点云）可以任意分布，例如在高速公路主要扫描前方远处，对于侧面稀疏扫描但并不完全忽略，在十字路口加强侧面扫描。而只能匀速旋转的机械式激光雷达是无法执行这种精细操作的。壹为9t无人驾驶汽车使用的MEMS激光雷达安装在前保险杠位置，使用MEMS技术得到°的扫描角度，m的探测距离。

相控阵激光雷达（OPA，固态）

光相控阵雷达原理：主要利用光的干涉原理。可以通过改变不同缝中入射光线的相位差即可改变光栅衍射后中央明纹（主瓣）的位置，往复控制相位差便可以实现扫描的效果。

相控阵（OPA）的优点：

结构简单、尺寸小：

由于不需要旋转部件，可以大大压缩雷达的结构和尺寸，提高使用寿命，并降低成本。

标定简单：固态激光雷达可以通过软件进行调节，大大降低了标定的难度。

扫描速度快：

不用受制于机械旋转的速度和精度，光学相控阵的扫描速度取决于所用材料的电子学特性，一般都可以达到MHz量级。

扫描精度高：光学相控阵的扫描精度取决于控制电信号的精度，可以达到千分之一度量级以上。

可控性好：

光学相控阵的光束指向完全由电信号控制，在允许的角度范围内可以做到任意指向，可以在重点区域进行高密度的扫描。

多目标监控：一个相控阵面可以分割为多个小模块，每个模块分开控制即可同时锁定监控多个目标。相控阵（OPA）的缺点：扫描角度有限：调节相位最多只能让中央明纹改变约±60°，实际做到°采集的话一般需要6个。旁瓣问题：光栅衍射除了中央明纹外还会形成其他明纹，这一问题会让激光在最大功率方向以外形成旁瓣，分散激光的能量。加工难度高：光学相控阵要求阵列单元尺寸必须不大于半个波长，一般目前激光雷达的工作波长均在1微米左右，故阵列单元的尺寸必须不大于nm。接收面大、信噪比差：传统机械雷达只需要很小的接收窗口，但固态激光雷达却需要一整个接收面，因此会引入较多的环境光噪声，增加了扫描解析的难度。

泛光面阵式激光雷达（FLASH，固态）

泛光面阵式的原理类似TOF相机，也就是快闪，它不像MEMS或OPA的方案会去进行扫描，而是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。它运行起来更像摄像头。激光束会直接向各个方向漫射，因此只要一次快闪就能照亮整个场景。随后，系统会利用微型传感器阵列采集不同方向反射回来的激光束。Flash激光雷达的一大优势是它能快速记录整个场景，避免了扫描过程中目标或激光雷达移动带来的各种麻烦。当前的发展方向有2个，一种是盖格模式APD的单光子计数型直接对光子计数生成数字图像；一种是传统的CMOS光强模拟采集得到强度图，将强度图转化为距离信息。壹为汽车

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