自动驾驶离不开的激光雷达，究竟有几种分类？

　　机械式激光雷达、固态激光雷达、MEMS激光雷达、Flash面阵激光雷达、OPA固态激光雷达、混合固态激光雷达...如此多种激光雷达，你了解多少？

　　激光雷达是一种通过发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统——激光波段位于0.5μm-10μm，以光电探测器为接收器件，以光学望远镜为天线。

　　激光雷达因为激光波长短，准直性高，使得激光雷达性能优异：角分辨率和距离分辨率高、抗干扰能力强、能获得目标多种图像信息(深度、反射率等)、体积小、质量轻。

　　目前激光雷达广泛应用在测绘、气象监测、安防、自动驾驶等领域。且大部分人认为，激光雷达是自动驾驶不可或缺的关键传感器。目前市面上可见的车载激光雷达，基本都是机械式，其典型特征即为拥有机械部件，会旋转，比如Velodyne著名的大花盆HDL64。当然也有混合固态激光雷达，即外面不转了，但里面仍有激光发射器进行旋转的种类。

　　但除了这两种激光雷达外，因使用的技术不同，还分为多种激光雷达。下面我们一起来全面了解激光雷达的分类。

　　根据结构，激光雷达分为机械式激光雷达、固态激光雷达和混合固态激光雷达。

　　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。

　　以Velodyne生产的第一代机械激光雷达（HDL-64E）为例，竖直排列的激光发射器呈不同角度向外发射，实现垂直角度的覆盖，同时在高速旋转的马达壳体带动下，实现水平角度360度的全覆盖。因此，HDL-64E在汽车行驶过程中，就一直处于360度旋转状态中。

　　因为带有机械旋转机构，所以机械激光雷达外表上最大的特点就是自己会转，个头较大。

　　如今机械激光雷达技术相对成熟，但价格昂贵，暂时给主机厂量产的可能性较低；同时存在光路调试、装配复杂，生产周期漫长，机械旋转部件在行车环境下的可靠性不高，难以符合车规的严苛要求...等不足。

　　当前的激光雷达战场，机械旋转式方案占据着绝对的统治地位，目前除了美国Quanergy以外，各大主流的激光雷达供应商都是以机械旋转式的产品线为主，并以此为基础不断推进更高线数产品的迭代。比如做激光雷达起步最早、做的最大的Velodyne，主攻的就是机械激光雷达，其机械激光雷达目前可做到128线，性能非常强悍。

　　混合固态激光雷达

　　2016年1月的CES消费电子展会上，Velodyne展示了“混合固态超级冰球”（Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto），由此引入了混合固态激光雷达的概念。

　　机械式激光雷达在工作时发射系统和接收系统会一直360度地旋转，而混合固态激光雷达工作时，单从外观上是看不到旋转的，巧妙之处是将机械旋转部件做得更加小巧并深深地隐藏在外壳之中。

　　业内普遍认为，混合固态激光雷达指用半导体“微动”器件（如MEMS扫描镜）来代替宏观机械式扫描器，在微观尺度上实现雷达发射端的激光扫描方式。MEMS扫描镜是一种硅基半导体元器件，属于固态电子元件；但是MEMS扫描镜并不“安分”，内部集成了“可动”的微型镜面；由此可见MEMS扫描镜兼具“固态”和“运动”两种属性，故称为“混合固态”。

　　对于激光雷达来说，MEMS最大的价值在于：原本为了机械式激光雷达实现扫描，必须使激光发射器转动。而MEMS微机电系统可以直接在硅基芯片上集成体积十分精巧的微振镜，由可以旋转的微振镜来反射激光器的光线，从而实现扫描。

　　这样一来，激光雷达本身不用再大幅度地进行旋转，可以有效降低整个系统在行车环境出现问题的几率。另外，主要部件运用芯片工艺生产之后，量产能力也得以大幅度提高，有利于降低激光雷达的成本，可以从上千乃至上万美元降低到数百美元。

　　老牌激光公司日本先锋，利用原本用于扫描激光影碟的光学头，来生产MEMS激光雷达。该公司曾表示“当订单达到100万，先锋便可以把价格控制在100美元以下，预计会在2019年开始量产。”

　　固态激光雷达：OPA与Flash固态激光雷达

　　相比于机械式激光雷达，固态激光雷达结构上最大的特点就是没有了旋转部件，个头相对较小。

　　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。

　　从使用的技术上，固态激光雷达分为OPA固态激光雷达和Flash固态激光雷达。

　　OPA固态激光雷达

　　OPA（optical phased array）光学相控阵技术。对军事有所了解的读者，应该会知道相控阵雷达，美海军宙斯盾舰上那一块蜂窝状的“板子”就是它。

　　而光学相控阵使用的即是原理相同的技术。OPA运用相干原理（类似的是两圈水波相互叠加后，有的方向会相互抵消，有的会相互增强），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。然后再加以控制，主光束便可以实现对不同方向的扫描。

　　相对于MEMS，这一技术的电子化更加彻底，它完全取消了机械结构，通过调节发射阵列中每个发射单元的相位差来改变激光的出射角度。

　　因为没有任何机械结构，自然也没有旋转。所以相比传统机械式雷达，OPA固态激光雷达有扫描速度快、精度高、可控性好、体积小等优点。但也易形成旁瓣，影响光束作用距离和角分辨率，同时生产难度高。

　　比如Quanergy研发的“固态”Solid State激光雷达，就是OPA激光雷达，其满足了激光雷达小型化的大趋势，整个尺寸只有90mmx60mmx60mm。用到的核心的技术有光学相控阵列Optical Phased Array、光学集成电路Photonic IC、远场辐射方向图Far Field Radiation Pattern，完全没有机械固件。

　　Flash固态激光雷达

　　Flash原本的意思为快闪。而Flash激光雷达的原理也是快闪，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。

　　因此，Flash固态激光雷达属于非扫描式雷达，发射面阵光，是以2维或3维图像为重点输出内容的激光雷达。某种意义上，它有些类似于黑夜中的照相机，光源由自己主动发出。

　　Flash固态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。不过，这种方式也有自己的缺陷，比如探测距离较近。

　　卡耐基梅隆大学机器人专家Sanjiv Singh认为：

　　“像素越大，你要处理的信号就越多。将海量像素塞进光电探测器，必然会带来各种干扰，其结果就是精度的下降。”

　　这意味着Flash固态激光雷达没有“远视眼”，在实际使用中不适合远程探测，而业内专家坚信，全自动驾驶汽车上搭载的激光雷达至少一眼就得看到200到300米外的物体。

　　其实Flash固态激光雷达的成本还是相对低，但基于3D Flash技术的固态激光雷达，在技术的可靠性方面还存在问题。

　　结语：

　　相比于机械激光雷达，MEMS激光雷达体积更小，价格更低廉，更适合大规模应用；同时相比于OPA和Flash，MEMS在技术上更容易实现。因此，MEMS被各大主机厂商一致看好，近些年入局MEMS激光雷达研究的企业很多。

　　业内人士认为，未来，中远距离激光雷达将是MEMS固态的天下。

　　MEMS更容易做到远距离，而OPA与Flash想达到200米距离还有大量的路要走，OPA也因为技术暂不成熟，短期内估计不会有落地的产品出现。而且，MEMS激光雷达的芯片化特征，使得它具有车规级、千元级、易量产的基因，因此这个方案将最先被OEM接受，成为第一代L3以上自动驾驶量产车的感知配件。