1、激光雷达结构拆分

激光雷达系统可拆分成激光发射、扫描系统、激光接收和信息处理四个部分。

激光发射系统：波长影响激光功率，激光器是核心

基本原理：激励源周期性地驱动激光器，发射激光脉冲，激光调制器通过光束控制 器控制发射激光的方向和线数，后来通过发射光学系统，将激光发射至目标物体。

激光波长：激光关键指标在于波长，一般会考量四个因素：人眼安全、与大气相 互作用、可选用的激光器以及可选用的光电探测器。目前业内主流采用 905nm 和 1550nm 两种波长，905nm 波长适用的光电探测器比 1550nm 的更便宜，但 1550nm 对人眼安全性更高。针对于与大气相互作用，1550nm 吸水率比 905nm 更强，但 905nm 的光损失更少。

激光器：当前阶段重要有 EEL 激光器、VCSEL 激光器和光纤激光器等。

EEL 激光器：EEL 作为探测光源具有高发光功率密度的优势，但 EEL 激光器 因为其发光面位于半导体晶圆的侧面，使用过程中需要进行切割、翻转、镀膜、 再切割的工艺步骤，往往只能通过单颗一一贴装的方式和电路板整合，而且每 颗激光器需要使用分立的光学器件进行光束发散角的压缩和独立手工装调，很大地依赖产线工人的手工装调技术，生产成本高且一致性难以保障。

VCSEL 激光器：垂直腔面发射激光器（VCSEL）其发光面与半导体晶圆平行， 具有面上发光的特性，其所形成的激光器阵列易于与平面化的电路芯片键合， 在精度层面由半导体加工设备保障，无需再进行每个激光器的单独装调，且易 于和面上工艺的硅材料微型透镜进行整合，提升光束质量。传统的 VCSEL 激 光器存在发光密度功率低的缺陷，导致只在对测距要求近的应用领域有相应的 激光雷达产品（通常<50m）。近年来国内外多家 VCSEL 激光器公司纷纷开发 了多层结 VCSEL激光器，将其发光功率密度提升了 5~10倍，这为应用 VCSEL 开发长距激光雷达提供了可能。光纤激光器：以掺有激活粒子的光纤为激光介质的激光器，通常以半导体激光 器作为能量泵浦源（以半导体激光器发出的光，泵浦光纤增益介质产生光）。

激光扫描系统：MEMS 渐成主力，Flash/OPA 纯固态方案值得期待

2、机械式激光雷达

机械式激光雷达通过电机带动收发阵列进行整体旋转，实现对空间水平 360°视场 范围的扫描。测距能力在水平 360°视场范围内保持一致。

传统机械式激光雷达难以满足车规级要求。传统机械式激光雷达，通过电机带动整 个激光头做圆周运动，其扫描方式通常呈 360 度线式扫描。这种方式带来的直接后果是 无论扫描时间多长，线与线之间总会有间隙，存在漏检物体的可能性。而更为糟糕的是， 占整个雷达 70%质量的重要部件，包括激光发射、接收等精密的电子器件，都在不停地 一边运动，一边工作，这种机械运动以及旋转部件动平衡上的误差带来的磨损、振动等， 大大降低了雷达的稳定性和可靠性。而且多线激光雷达这种转动的工作模式，若采用滑 环设计会容易失效，而无线供电的方式则不够稳定，很难满足车规级别的应用场景。

Livox 推出棱镜式激光雷达，采用非重复扫描技术。为避免上千个电子部件同时旋 转，Livox 将所有的发射和接收部件移到稳定的后端，在前端只用两三个棱镜做高速纯 光学扫描，在技术上为稳定性提供了可能。此外，Livox 的点云特性覆盖率随时间不断 增加，并且无需进行重复扫描。

3、MEMS 激光雷达

MEMS 激光雷达通过硅基芯片上微振镜以一定谐波频率的振荡，来反射激光器的光 线，从而以超高的扫描速度形成高密度的点云图。由此改变单个发射器的发射角度进行 扫描，形成较广的扫描角度和较大的扫描范围。

优点：其核心光束操纵元件为 MEMS 微振镜，大大减少了激光雷达的尺寸， 减少激光器和探测器数量，很大地降低成本，具有高性能、稳定可靠、易于生 产制造等优点，兼顾车规量产与高性能的需求。

缺点：MEMS 激光雷达并没有完全消除机械，只是将扫描单元变成了 MEMS 微振镜，仍然存在微振镜的振动，所以它并不能算纯固态激光雷达，而是混合 固态雷达（也称类固态/半固态雷达）。其光路较复杂，微振镜结构会影响整个 激光雷达的寿命，激光功率较低，信噪比较低、有效距离较短，并且激光扫描 范围受微振镜面积限制，视野相对较窄。

4、Flash 激光雷达

Flash 激光雷达，指一次闪光（激光脉冲）成像的激光雷达，在发射端采用面光源， 短时间发射出一大片覆盖探测区域的面阵激光，再以高度灵敏的接收器，来完成对环境 周围图像的绘制，它也是目前唯一的非扫描式激光雷达，能够达到高等级的车规要求。

这种激光雷达的缺点很明显，功率密度太低，导致其有效距离一般难以超过 50 米， 分辨率也比较低。要改善其性能，需要使用功率更大的激光器，或更先进的激光发射阵 列，让发光单元按一定模式导通点亮，以取得扫描器的效果。

5、OPA 激光雷达

OPA 激光雷达是运用相干原理，采用多个光源组成阵列，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，通过控制各光源发射的时间差，可以合成 角度灵活、精密可控的主光束，实现对不同方向的扫描。

优点：这种固态激光雷达有着扫描速度快，精度高，可控性好，抗振性能好， 体积小，量产一致性高，成本更低等优点。

缺点：OPA 激光雷达仍有易形成旁瓣效应，光信号覆盖有限、环境光干扰、测 距较短等问题，而且加工难度较高。

激光接收系统：光电探测器是关键

信息处理系统：车载激光雷达的三类应用算法

现有车载激光雷达应用算法都具有不同程度的局限性。起先，算法可靠性和实时性 相互制约，二者难以同时满足；其次，算法多为针对某一特定场景开发， 难以保证可移 植性和稳定性。

场景的复杂性和多样性使得算法的研究异彩纷呈，呈现出多层次、多角度的多元组 合态势。车载激光雷达应用算法可分为三类：点云分割算法、目标跟踪与识别算法、即 时定位与地图构建算法（simultaneous localization and mapping，SLAM）。各类算法的 合理选择使用将解决不同场景下的智能驾驶问题，其中点云分割算法是目标跟踪与识别 的基础，目标跟踪与识别将实现对汽车周围障碍物运动状态和几何特征的判断，SLAM 将实现汽车的精确定位与可通行路径规划。

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