激光雷達(dá)的工作原理特點(diǎn)和主要廠商及應(yīng)用的介紹

隨著自動(dòng)駕駛行業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)參與其中，相關(guān)傳感器的生產(chǎn)商加大投入研發(fā)，提供更符合市場(chǎng)需求的產(chǎn)品。激光雷達(dá)，正是自動(dòng)駕駛中至關(guān)重要的傳感器，從一開(kāi)始的單線發(fā)展到了128線，掃描方式也不再局限于機(jī)械式掃描，其體積也變得越來(lái)越小......

工作原理：

激光雷達(dá)（LiDAR）是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器，好比人類的眼睛，可以確定物體的位置、大小、外部形貌甚至材質(zhì)。它由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng) 、信息處理三部分組成。

其工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)(激光束),然后將接收到的從目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)(目標(biāo)回波)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較,作適當(dāng)處理后,就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息,如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù),從而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。

技術(shù)特點(diǎn)：

傳統(tǒng)的雷達(dá)是微波和毫米波波段的電磁波為載波的雷達(dá)。激光雷達(dá)則是以激光作為載波，可以用振幅、頻率和相位來(lái)搭載信息，作為載體。因此，激光雷達(dá)有優(yōu)于微波及毫米波的一些特點(diǎn)。

1、具有極高的分辨率

激光雷達(dá)工作于光學(xué)波段，頻率比微波高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此，與微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)具有極高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率；

2、抗干擾能力強(qiáng)

激光波長(zhǎng)短，可發(fā)射發(fā)散角非常小的激光束，多路徑效應(yīng)?。ú粫?huì)形成定向發(fā)射，與微波或者毫米波產(chǎn)生多路徑效應(yīng)），可探測(cè)低空或超低空目標(biāo)；

3、獲取的信息量豐富

可直接獲取目標(biāo)的距離、角度、反射強(qiáng)度、速度等信息，生成目標(biāo)多維度圖像；

4、不受光線影響

不受光線影響，激光掃描儀可全天候進(jìn)行偵測(cè)任務(wù)。它只需發(fā)射自己的激光束，通過(guò)探測(cè)發(fā)射激光束的回波信號(hào)來(lái)獲取目標(biāo)信息。

具體類別：

目前，激光雷達(dá)的種類很多，大致有七種分類方式。

按激光波段分

有紫外激光雷達(dá)、可見(jiàn)激光雷達(dá)和紅外激光雷達(dá)。

按激光介質(zhì)分

有氣體激光雷達(dá)、固體激光雷達(dá)、半導(dǎo)體激光雷達(dá)和二極管激光泵浦固體激光雷達(dá)等。

按激光發(fā)射波形分

有脈沖激光雷達(dá)、連續(xù)波激光雷達(dá)和混合型激光雷達(dá)等。

按顯示方式分

有模擬或數(shù)字顯示激光雷達(dá)和成像激光雷達(dá)。

按運(yùn)載平臺(tái)分

有地基固定式激光雷達(dá)、車載激光雷達(dá)、機(jī)載激光雷達(dá)、船載激光雷達(dá)、星載激光雷達(dá)、彈載激光雷達(dá)和手持式激光雷達(dá)等。

按功能分

有激光測(cè)距雷達(dá)、激光測(cè)速雷達(dá)、激光測(cè)角雷達(dá)和跟蹤雷達(dá)、激光成像雷達(dá)，激光目標(biāo)指示器和生物激光雷達(dá)等。

按用途分

有激光測(cè)距儀、靶場(chǎng)激光雷達(dá)、火控激光雷達(dá)、跟蹤識(shí)別激光雷達(dá)、多功能戰(zhàn)術(shù)激光雷達(dá)、偵毒激光雷達(dá)、導(dǎo)航激光雷達(dá)、氣象激光雷達(dá)、偵毒和大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)等。

主要廠商：

自動(dòng)駕駛行業(yè)愈加火熱，作為其中必不可少的傳感器，激光雷達(dá)成為兵家必爭(zhēng)之地，有Velodyne的“高線束激光雷達(dá)”量產(chǎn)，Quanergy“全固態(tài)激光雷達(dá)”成功研發(fā)，以及速騰聚創(chuàng)等眾多后起之秀們不斷加入。

1

Velodyne

總部：美國(guó)

在激光雷達(dá)領(lǐng)域，Velodyne可謂是“一哥”級(jí)。它成立于1983年，2005年開(kāi)始研發(fā)激光雷達(dá)，并于同年推出了第一款激光雷達(dá)傳感器。2007年，Velodyne用一款 64 線激光雷達(dá)進(jìn)入360°高性能激光雷達(dá)領(lǐng)域，同時(shí)對(duì)外出售第一款激光雷達(dá)產(chǎn)品，拉開(kāi)Velodyne布局激光雷達(dá)的大幕。

谷歌在其最早的自動(dòng)駕駛原型汽車中，所使用的LiDAR傳感器就是由Velodyne開(kāi)發(fā)的，其產(chǎn)品的測(cè)量精度在全行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)處于標(biāo)桿地位，性能優(yōu)越。Velodyne的3D激光雷達(dá)產(chǎn)品種類豐富，包括16線束、32線束及64線束等，其中還有專門為智能駕駛汽車設(shè)計(jì)的Ultra Puck激光雷達(dá)。

2016年8月，已經(jīng)剝離于Velodyne主體的激光雷達(dá)公司Velodyne LiDAR獲得由福特汽車與百度總金額為1.5億美元聯(lián)合投資。未來(lái)，Velodyne LiDAR將量產(chǎn)最新款3D激光雷達(dá)傳感器以滿足居高不下的全球用戶需求。

ULTRA Puck VLP-32C

代表產(chǎn)品：

ULTRA Puck VLP-32C

ULTRA Puck VLP-32C是Velodyne最新推出的長(zhǎng)距離LiDAR傳感器，它仍然屬于目前Velodyne主要研發(fā)的高清實(shí)時(shí)3D LIDAR，結(jié)合了同類最佳的性能和小巧的外形。

特點(diǎn)：

其具有雙重回報(bào)；高達(dá)200米的范圍；每秒高達(dá)約120萬(wàn)點(diǎn)；+ 15°至-25°垂直視場(chǎng)；360°水平視場(chǎng)；低功耗等特點(diǎn)。

綜合評(píng)價(jià)：

Velodyne 激光雷達(dá)項(xiàng)目目前已經(jīng)和25個(gè)不同的無(wú)人駕駛汽車項(xiàng)目達(dá)成了合作協(xié)議。幾乎所有涉及的OEM主機(jī)廠和Tier 1供應(yīng)商都在使用Velodyne的激光雷達(dá)產(chǎn)品。但是，Velodyne采用的機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描方案有結(jié)構(gòu)過(guò)復(fù)雜、成本過(guò)高、良品率低、模塊生產(chǎn)難度大、體積大等問(wèn)題。

2

Quanergy

總部：美國(guó)

這家硅谷新銳成立于2012年年底，研制出全球第一款固態(tài)激光雷達(dá)。這款產(chǎn)品S3在CES 2016上首次亮相，尺寸與Velodyne產(chǎn)品差不多。不同的是，Quanergy取消了昂貴的機(jī)械旋轉(zhuǎn)形式，量產(chǎn)成本250美金（谷歌所用的激光雷達(dá)為8萬(wàn)美元）。

Quanergy固態(tài)激光雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)“相控陣激光雷達(dá)技術(shù)”，正是創(chuàng)始人羅伊·艾爾達(dá)達(dá)（Louay Eldada）在哥倫比亞大學(xué)的博士研究課題。而另一位創(chuàng)始人于天越來(lái)自中國(guó)，曾是光伏企業(yè)Nanosolar的首席科學(xué)家。

目前，與Quanergy合作的企業(yè)有：谷歌、蘋果、IBM、博世、奧迪、福特、戴姆勒等。

M8

代表產(chǎn)品：

M8

它是一款具有成本效益的長(zhǎng)距離LiDAR傳感器，能夠在動(dòng)態(tài)情況下無(wú)處不在地使用智能傳感。

特點(diǎn)：

M8傳感器可在任何天氣下使用，憑借360°視野，每秒420,000點(diǎn)，長(zhǎng)測(cè)量范圍，高精度和高分辨率。其采用了Multi-LiDAR Fusion，這是Quanergy專有的智能技術(shù)。

綜合評(píng)價(jià)：

與機(jī)械傳感器相比，Quanergy主打的固態(tài)激光雷達(dá)更小，更便宜。但是這一技術(shù)對(duì)于相關(guān)組件的尺寸要求很大，如何制造出如此大規(guī)模的器件，同時(shí)使它們能夠有效地運(yùn)作成為一個(gè)系統(tǒng)，將是需要解決的最大問(wèn)題。

3

Innoviz

總部：以色列

Innoviz成立于2016年初，是一個(gè)專注于雷達(dá)傳感器的初創(chuàng)公司，致力于量產(chǎn)級(jí)固態(tài)雷達(dá)傳感器研發(fā)，并為其硬件開(kāi)發(fā)配套輔助產(chǎn)品。該公司的創(chuàng)始人和主要技術(shù)均來(lái)自以色列國(guó)防軍。

InnovizOne

代表產(chǎn)品：

InnovizOne

2017年，Innoviz發(fā)布了其旗艦級(jí)汽車LiDAR器件InnovizOne，一款成本經(jīng)濟(jì)、設(shè)計(jì)緊湊的固態(tài)LiDAR傳感器，能夠提供高清晰度3D掃描。

特點(diǎn)：

其具有高分辨率、長(zhǎng)距離檢測(cè)、適應(yīng)不同陽(yáng)光和天氣、低成本等特點(diǎn)。

綜合評(píng)價(jià)：

Innoviz雖然成立不到3年時(shí)間，但是Innoviz已經(jīng)與麥格納和安波福建立了戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，也可謂是后起之秀。

4

LeddarTech

總部：加拿大

LeddarTech于2007年在加拿大魁北克市成立，剝離自加拿大國(guó)家光學(xué)研究所，是全球唯一一家基于專利、前沿技術(shù)的高級(jí)探測(cè)與測(cè)距系統(tǒng)供應(yīng)商。

它主要為OEM主機(jī)廠、Tier 1供應(yīng)商、零部件&子系統(tǒng)供應(yīng)商、系統(tǒng)集成商提供LeddarCore IC傳感器技術(shù)，用于開(kāi)發(fā)ADAS/AD解決方案中的激光雷達(dá)。2016年，LeddarTech對(duì)外公布了針對(duì)無(wú)人駕駛汽車的固態(tài)激光雷達(dá)IC路線圖。

Leddar M16

代表產(chǎn)品：

Leddar M16

其是16段固態(tài)LiDAR傳感器模塊，可同時(shí)為多個(gè)物體提供快速、連續(xù)、精準(zhǔn)的檢測(cè)和測(cè)距，并具有出色的橫向辨別能力。

特點(diǎn)：

它的探測(cè)范圍高達(dá)146米；有各種光束選項(xiàng)，用于優(yōu)化視野；快速數(shù)據(jù)采集速率高達(dá)100 Hz；免受環(huán)境光變化的影響；出色的堅(jiān)固性，無(wú)移動(dòng)部件等。

綜合評(píng)價(jià)：

除了自動(dòng)駕駛汽車，LeddarTech的激光雷達(dá)還可用在無(wú)人機(jī)和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。

5

北科天繪

總部：北京

北科天繪成立于2005年，從2014年調(diào)查自動(dòng)駕駛及機(jī)器人用激光雷達(dá)的市場(chǎng)潛力，2015年開(kāi)始啟動(dòng)導(dǎo)航型LiDAR技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)。

2016年5月發(fā)布16線360度導(dǎo)航LiDAR——R-Fans，R-Fans為16通道產(chǎn)品，俯仰視場(chǎng)為30度，測(cè)量距離1-100米，掃描儀總重800克。

A-Pilot機(jī)載激光雷達(dá)

代表產(chǎn)品：

A-Pilot

除了適用于汽車的激光雷達(dá)，北科天繪研制出A-Pilot機(jī)載激光雷達(dá)，是為了適應(yīng)我國(guó)多山地貌研制的航空測(cè)繪裝備，可搭載于無(wú)人機(jī)、固定翼，動(dòng)力三角翼等多種飛行平臺(tái)上。

特點(diǎn)：

其具有測(cè)程遠(yuǎn)；外設(shè)配套齊全；測(cè)量精度高；設(shè)備輕巧（AP-0300<4kg）；數(shù)據(jù)采集頻率高，每秒600,000個(gè)點(diǎn)；覆蓋航帶寬度大，可掃描視場(chǎng)角70°等特點(diǎn)。

綜合評(píng)價(jià)：

目前，北科天繪已能避免同一輛汽車上的多臺(tái)激光雷達(dá)之間的串?dāng)_這一問(wèn)題。裝在不同汽車上、由不同廠家生產(chǎn)的激光雷達(dá)之間相互串?dāng)_，仍是北科天繪需要攻克的問(wèn)題。

6

速騰聚創(chuàng)

總部：深圳

速騰聚創(chuàng)在2016年10月，推出了國(guó)內(nèi)首個(gè)應(yīng)用于無(wú)人駕駛汽車的16線混合固態(tài)激光雷達(dá)RS-LiDAR，測(cè)距100米，精度達(dá)到了2cm，垂直30度（±15度），實(shí)時(shí)出點(diǎn)數(shù)32萬(wàn)點(diǎn)每秒。并進(jìn)行了初期的路測(cè)，這也是國(guó)產(chǎn)激光雷達(dá)首次進(jìn)行公開(kāi)展示和測(cè)試。

本月，速騰聚創(chuàng)完成了總額超過(guò)3億元的戰(zhàn)略融資，據(jù)悉，這是全國(guó)激光雷達(dá)企業(yè)陣營(yíng)中最大的一次單輪融資。

RS-LiDAR-32

代表產(chǎn)品：

RS-LiDAR-32

RS-LiDAR-32是速騰聚創(chuàng)（RoboSense）量產(chǎn)的32線混合固態(tài)激光雷達(dá)系列產(chǎn)品。

特點(diǎn)：

RS-LiDAR-32是基于車廠需求定制研發(fā)，專為滿足高速自動(dòng)駕駛需求而設(shè)計(jì)的小型激光雷達(dá)，采用了中間密兩邊疏的激光頭布局設(shè)計(jì)，垂直測(cè)角40°，最小垂直角分辨率為 0.33°，讓32線取得比64線擁有更優(yōu)的探測(cè)效果，更加專注于車輛行駛區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。

綜合評(píng)價(jià)：

解決了成本問(wèn)題、性能難關(guān)，速騰聚創(chuàng)可能將會(huì)是下一個(gè)大疆。

7

思嵐科技

總部：上海

思嵐科技成立于2013年10月，前身為業(yè)內(nèi)具有較高知名度的PoboPeak團(tuán)隊(duì)。他們主要產(chǎn)品是模塊化自主定位導(dǎo)航解決方案、低成本2D激光雷達(dá)和通用機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)。

RPLIDAR A3

代表產(chǎn)品：

RPLIDAR A3

思嵐科技推出的第三款激光雷達(dá)，可完成360度全方位掃描，只有4cm的超薄外觀。

特點(diǎn)：

具有測(cè)量半徑25m；每秒16000次 ；室內(nèi)外均可使用等特點(diǎn)。

綜合評(píng)價(jià)：

光干擾可靠性一直是激光雷達(dá)出品的很重要品質(zhì)把控因素。經(jīng)過(guò)這幾年的努力，RPLIDAR A3已經(jīng)具有相對(duì)優(yōu)異的環(huán)境光抗擊能力。當(dāng)然，思嵐科技雷達(dá)產(chǎn)品的性能提升仍然有待提升。

8

禾賽科技

總部：上海

禾賽科技于2013年成立于美國(guó)硅谷圣何塞，2014年落戶上海。主營(yíng)業(yè)務(wù)為自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)，激光天然氣遙測(cè)系統(tǒng)等。

禾賽Pandar40

代表產(chǎn)品：

禾賽Pandar40

去年，禾賽發(fā)布了用于自動(dòng)駕駛的40線混合固態(tài)激光雷達(dá)Pandar40，改變了自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)行業(yè)被國(guó)際巨頭壟斷而且需要半年以上交貨周期的現(xiàn)狀。

特點(diǎn)：

150米距離、厘米級(jí)精度、高角分辨率（等效83線）、小體積。

綜合評(píng)價(jià)：

禾賽科技積累了多年開(kāi)發(fā)激光遙測(cè)傳感器的經(jīng)驗(yàn)，它的產(chǎn)品顯著低于國(guó)外競(jìng)品的售價(jià)及交貨周期。

應(yīng)用領(lǐng)域：

激光雷達(dá)不僅可以單獨(dú)使用，也能夠同微波雷達(dá)，可見(jiàn)光電視、紅外電視或微光電視等成像設(shè)備組合使用，使得系統(tǒng)既能搜索到遠(yuǎn)距離目標(biāo)，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精密跟蹤。除了大眾所熟知的自動(dòng)駕駛，激光雷達(dá)在很多領(lǐng)域也發(fā)揮著必不可少的作用。

1、城市三維建筑模型

“數(shù)字城市”是數(shù)字地球技術(shù)系統(tǒng)的重要組成部分，而表達(dá)城市主要物體的三維模型包括三維地形，三維建筑模型、三維管線模型。這些三維建筑模型是數(shù)字城市重要的基礎(chǔ)信息之一。

激光雷達(dá)技術(shù)可以快速完成三維空間數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過(guò)處理便可得到具有坐標(biāo)信息的影像數(shù)據(jù)。

2、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)

激光雷達(dá)由于探測(cè)波長(zhǎng)短、波束定向性強(qiáng)，能量密度高，因此具有高空間分辨率、高的探測(cè)靈敏度、能分辨被探測(cè)物種和不存在探測(cè)盲區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為目前對(duì)大氣進(jìn)行高精度遙感探測(cè)的有效手段。利用激光雷達(dá)可以探測(cè)氣溶膠、云粒子的分布、大氣成分和風(fēng)場(chǎng)的垂直廓線，對(duì)主要污染源可以進(jìn)行有效監(jiān)控。

3、自動(dòng)泊車技術(shù)

自動(dòng)泊車系統(tǒng)一般在汽車前后四周安裝感應(yīng)器，這些感應(yīng)器既可以充當(dāng)發(fā)送器，也可以充當(dāng)接收器。它們會(huì)發(fā)送激光信號(hào)，當(dāng)信號(hào)碰到車身周邊的障礙物時(shí)會(huì)反射回來(lái)。然后，車載計(jì)算機(jī)會(huì)利用其接收信號(hào)所需時(shí)間確定障礙物的位置。

4、智能交通信號(hào)控制

在城市重要交通路口信號(hào)控制系統(tǒng)中集成一個(gè)地面三維激光掃描系統(tǒng)，通過(guò)激光掃描儀對(duì)一定距離的道路進(jìn)行連續(xù)掃描，獲得這段道路上實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的車流量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得車流量等參數(shù)，根據(jù)對(duì)東西向和南北向車流量大小的比較以及短暫車流量預(yù)測(cè)，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)東西向和南北向信號(hào)燈周期。

結(jié)語(yǔ)：

對(duì)于激光雷達(dá)，成本問(wèn)題是其面臨的首要問(wèn)題，也因此一些企業(yè)望而卻步。其次，技術(shù)需要不斷完善。不過(guò)，由上文提及的各大企業(yè)產(chǎn)品可以看出，小型化、固態(tài)化、低成本化是激光雷達(dá)的大勢(shì)所趨。