[科普]激光雷达LIDAR工作原理
最近Velodyne挑起的激光雷达LiDAR专利之战成为了业界热点。可以说在严苛的自动驾驶系统中激光雷达成为一种不可替代的传感器。今天让我们详细聊聊激光雷达LIDAR是怎么回事。
什么是激光雷达LIDAR
激光雷达LiDAR的全称为Light Detection and Ranging激光探测和测距，又称光学雷达。
激光雷达的工作原理：对人畜无害的红外光束Light Pluses发射、反射和接收来探测物体。能探测的对象：白天或黑夜下的特定物体与车之间的距离。甚至由于反射度的不同，车道线和路面也是可以区分开来的。哪些物体无法探测：光束无法探测到被遮挡的物体。
↑激光雷达LiDAR示意图
车用激光雷达工作原理就是蝙蝠测距用的回波时间（Time of Flight，缩写为TOF）测量方法。但要知道光速是每秒30万公里。要区分目标厘米级别的精确距离，那对传输时间测量分辨率必须做到1纳秒。要如此精确的测量时间，因此对应的测量系统的成本就很难降到很低，需要使用巧妙的方法降低测量难度。
是不是觉得很高深难懂？我们直接看动画吧。
↑激光雷达LiDAR工作原理
通过旋转的机械镜面测量激光发出和收到回波的时间差，从而确定目标的方位和距离。由于激光雷达主动发射激光，因此受环境光变化的影响小，测距精确。
什么是激光雷达LIDAR的技术关键
↑典型激光雷达LiDAR系统组成
典型激光雷达LiDAR系统组成括激光发射光源、接收器、伺服电机、斜面镜和光学旋转编码器（又称圆光栅）。
↑激光雷达LiDAR关键部件
激光雷达LiDAR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。随着半导体技术的快速演进，性能逐步提升的同时成本迅速降低。但是光学组件和旋转机械则占具了激光雷达的大部分成本。
激光雷达LIDAR的应用挑战
a. 绕不开的基础专利
↑Velodyne激光雷达LiDAR基础专利
第一大挑战就是绕不开的Velodyne基础专利。此次专利大战的主角Velodyne可以说是美国政府通过自动驾驶挑战赛一手扶植起来的业界老大。2007年Velodyne申请的基础专利US7969558囊括了几乎所有高精度激光雷达所需的基础技术。其实并不是针对国内的禾赛和速腾聚创，国外的谷歌Waymo和Uber都被拉进了专利之争。而禾赛目前已经在北美是仅次于Velodyne的激光雷达供应商。而速腾聚创则是国内出货量最高的激光雷达企业。可谓树大招风。
↑Velodyne激光雷达LiDAR基础专利细节
该基础专利不仅包括了主流的基于伺服电机机械旋转光学组件，而且包括了之前提到的特殊信号处理原理。通过精确的激光发射时长控制，来将对回波时间的测量转化成单位时间进光量的测量。从而在提高精度的同时降低设计难度。
b. 居高不下的成本
最早由谷歌提出的自动驾驶汽车基于置于车顶的360度机械旋转激光雷达实现。它的性能非常好，但是相应的也具有成本过高（几千美元级别），体积大、外部可见等劣势。
因此激光雷达成本问题亟待解决，固态化成为大势所趋。
激光雷达LIDAR市场应用如何
1. Velodyne激光雷达汽车应用
↑Velodyne激光雷达发展路线
Velodyne激光雷达广泛应用于自动驾驶的测试车型中。最早谷歌提出的自动驾驶汽车就是基于置于车顶的机械旋转激光雷达产品实现的。它其实就是来自Velodyne公司的64波束激光雷达。而这款产品当初价格惊人的超过了7万美金。如图，从左至右分别为Velodyne的64波束、32波束以及16波束激光雷达产品。
2. 法雷奥SCALA激光扫描传感器汽车应用
↑奥迪A8配备的低成本激光扫描传感器
奥迪是目前唯一量产L3级别自动驾驶车型的整车厂。为了应对激光雷达量产的挑战，奥迪找到了一种更小巧的激光扫描传感器方案。全新奥迪A8保险杠处的一个圆弧状传感器是小型化激光扫描传感器。在外形不需旋转的前提下可以达到145度的水平视角，80米远的探测距离。其激光二极管每秒可发射近10万次红外线脉冲，控制系统会根据红外线脉冲的反射情况计算出前方物体的详细轮廓。
激光雷达LIDAR未来发展方向
↑激光雷达LiDAR未来发展方向
未来通过半导体技术代替原来的机械旋转部件和光学组件将是业界主流。在绕开基础专利的同时可以大幅降低激光雷达的成本。其中高性能长距离激光雷达将专注于基于半导体的微机械镜头控制激光发射光束的扫描。而中距离低成本方案则朝向固态Flash激光雷达的方向发展。接收部分为半导体光学探测阵列。通过类似摄像头的接收点整，在采集图像的同时记录目标的距离信息。
综上所述，激光雷达技术正随着自动驾驶的兴起引起广泛关注。但是绕不开的基础专利和居高不下的成本带来诸多挑战仍急需解决。无疑半导体技术将推动激光雷达快速发展。让我们拭目以待吧。