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[环境感知] 激光雷达系列(一):原理、分类和发展趋势

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发表于 15-5-2024 19:44:31 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本篇是激光雷达系列的第一篇文章,主要介绍激光雷达的基本原理、分类和发展趋势。

1. 基本概念和分类



1.1 简介


激光雷达(Lidar,Laser Detecting and Ranging,激光探测和测距)是一种通过发射和接收激光束,来实现目标检测的感知元件。激光雷达一般通过测量发射和接收激光束的时间差(ToF,Time of Fly)或者频率差,来确定目标信息。激光雷达在短时间内可以获取大量的位置点信息(或者称为激光点云),1秒内可以生成的点的数量从几十万到数百万不等。由于激光频率高,波长短,所以激光雷达一般具备极高的角度分辨率和测距精度。
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激光雷达点云
除了获得位置信息外,激光信号的反射率可以区分目标物质的不同材质。
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激光雷达可以识别不同的材质(图片来源:禾赛)

1.2 分类和特点对比


激光雷达有很多种不同的分类方法:
    如果按照测量方式,可以分为ToF雷达和FMCW雷达;如果按照波长,可以分为905nm、1550nm、940nm等;如果按照扫描方式:可以分为机械式、半固态和全固态;

本文依据扫描方式进行分类:

    机械式激光雷达以一定的速度旋转,在水平方向采用机械结构进行 360°的旋转扫描,在垂直方向采用定向分布式扫描。机械式激光雷达的发射器、接收器都跟随扫描部件一同旋转。
    半固态激光雷达的发射器和接收器固定不动,只通过少量运动部件实现激光束的扫描。半固态激光雷达由于既有固定部件又有运动部件,因此也被称为混合固态激光雷达。根据运动部件类型不同,半固态激光雷达又可以细分为转镜类半固态激光雷达、MEMS半固态激光雷达和棱镜类半固态激光雷达。全固态激光雷达内部完全没有运动部件,使用半导体技术实现光束的发射、扫描和接收。固态激光雷达又可分为Flash固态激光雷达和OPA固态激光雷达。

不同类型激光雷达的优劣势对比:

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不同类型激光雷达的原理和对比
2. 原理介绍

2.1 机械式

世界第一款汽车用激光雷达是美国Velodyne公司生产的64线激光雷达,首次亮相于2005年无人驾驶挑战赛。
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Velodyne激光雷达
主要原理如下:
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机械式激光雷达
2.2 半固态

半固态雷达主要有转镜类、MEMS类和棱镜类三种形式。
    转镜类
转镜类激光雷达主要依靠一个旋转的反射镜,实现激光的扫描,原理如下:
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转镜类激光雷达原理
转镜类激光雷达中运动部件主要是电机,以及镀膜反射镜。其中,镀膜反射镜可以对特定波长的激光(905nm、940nm、1550nm等)实现高反射率,反射镜一般为3面或者4面。通常转镜只需保证匀速旋转即可,一般无需变速或其他特殊控制。
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转镜
根据转镜使用的数量,还可以分为1维转镜和2维转镜:1维转镜:结构中只有1个转镜实现水平方向的扫描,垂直方向一般使用多个激光器,用于覆盖发射不同的目标高度。代表产品有禾赛AT128、华为D3等。例如,如下是禾赛AT128的光路结构:
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禾赛AT128(图片来源:绿芯频道)

一般转镜的倾角是相同的,还有些产品使用倾角不同的转镜,可以减少激光器的使用。例如镭神智能的32线转镜雷达CH32,就是通过8个EEL激光器和一个四面倾角略有不同的转镜来实现的 32 线扫描。
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镭神智能的32线转镜雷达CH32(图片来源:中信证券)
2维转镜:同时采用转镜+振镜,实现水平方向和垂直方向的扫描。代表产品有图达通的falcon,其扫描原理如下:
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图达通专利《用于Lidar系统的二维操纵系统》

图达通falcon实际扫描结构:
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图达通falcon实际扫描结构(图片来源:中信证券)

    MEMS振镜类
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems,微机电系统)振镜类激光雷达,主要是通过MEMS振镜,进行水平方向和垂直方向的振动,实现激光束的扫描。
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MEMS振镜

由于MEMS振镜振动的角度范围比较有限,通常只有10余度,带动光线扫过的角度也只有20几度,所以需要多个激光器各自负责20多度的一个扇区,拼合起来实现较大的水平视场角。例如速腾M1是由5个激光器组成,扫描原理如下:
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速腾M1激光雷达(图片来源:中信证券)

速腾M1扫描图样示意图:

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速腾M1扫描图样示意图(图片来源:中信证券)
    棱镜类
双楔形棱镜激光雷达由两块同轴放置的楔形棱镜组成,随着两个棱镜以不同速度旋转,将在前方扫出类似菊花的图样,双楔形棱镜扫描示意图:
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双楔形棱镜扫描示意图(图片来源:电动邦)双楔形棱镜方案是大疆主要采用的扫描方案,大疆Livox Mid(上)、Livox HAP(下)扫描图样:
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大疆Livox Mid(上)、Livox HAP(下)扫描图样(图片来源:大疆)


2.3 全固态



全固态雷达主要有Flash类和OPA类。

    Flash类
Flash激光雷达从原理上类似于摄像头,不同点在于Flash激光雷达接收其发射的主动光,而摄像头是接收环境反射的被动光,所以Flash激光雷达多了一个发射模块。Flash 激光雷达每个像素点可以记录光子飞行时间信息。发射的面阵激光照射到目标上,由于物体具有三维空间属性,从而不同部位的光所反射的光具有不同的飞行时间,被焦平面探测器阵列探测,根据飞行时间不同绘制图像。
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Flash雷达原理

Flash激光雷达和半固态激光雷达的主要区别是,Flash激光雷达在短时间内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。而半固态激光雷达发射模块发射出来的激光是线状的,通过扫描部件往复运动,把线变成面打在需要探测的物体表面,完成目标探测。
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扫描式雷达 vs Flash雷达

Flash方案激光雷达属于泛光成像,其发射的光线会散布在整个视场内。因此,其探测的FoV角度越大,便意味着等量的功率所需覆盖的面积越大,则激光功率密度越低,探测距离越短,探测精度越低。为了提升激光雷达性能,出现了一种可寻址扫描Flash激光雷达,这种Flash雷达的发光面不是同时点亮,而是根据特定的顺序,依次点亮发射器,实现空间区域的扫描。
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可寻址扫描Flash激光雷达

可寻址扫描Flash激光雷达可以一定程度上提升Lidar性能,但是仍然无法兼顾远距离检测和大角度覆盖。
    OPA类
OPA(Optical Phased Array,光学相控阵)雷达由元件阵列组成,通过控制每个元件发射光的相位和振幅来控制光束。
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OPA雷达工作原理示意图OPA雷达采用了高度集成化的光学相控技术,将激光器的功率分配到不同的相位调制器,通过光学天线发射,在空间远场形成较强的能量光束。通过控制不同的相位,实现不同角度的光束对物体进行扫描。
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相控阵技术
Quarnergy是最早提出OPA方案的公司,Quarnergy的S系列是业内首款OPA架构的激光雷达:
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Quarnergy的S系列雷达


3. 发展趋势


    Lidar正在经历“机械式 → 半固态 → 全固态”的发展过程;机械式Lidar在无人车、干线物流、矿山等领域得到了大规模使用,但因其成本、可靠性等局限,正逐步被半固态和全固态Lidar取代;当前乘用车所采用的的主要是半固态Lidar,主要是以转镜类和MEMS类为主;全固态Lidar主要以Flash技术为主,在补盲领域逐渐进入量产阶段。对于OPA方案,目前技术成熟度较低,还处在预研阶段。

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激光雷达Roadmap

根据YOLO的报告《Automotive LIDAR Market: Competitive Dynamics, Technology Evolution, and Revenue Trends》(Automotive LiDAR conference 2023, October 3-5 )描述:

    905nm技术占据89%的市场份额。在过去,市场普遍认为1550纳米雷达性能比905纳米雷达更好,但实际上,905纳米技术这两年取得了长足进步,并且成本更低,因此大多数制造商越来越多的使用905纳米技术,图达通也计划推出905纳米的方案。

    半固态技术雷达占据了95%的市场份额。半固态技术雷达是目前激光雷达市场的主流。

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不同技术路线的占比(图片来源:YOLO)
    半固态激光雷达指标成熟,目前各家产品主要在做降本。

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半固态激光雷达的降本(图片来源:YOLO)

    市场一度普遍认为MEMS会成为主流,因为它是半导体工艺制造的微振镜,看似成本更低。然而,实际情况是转镜方案越来越多的被大家重视。主要原因在于,激光雷达使用的MEMS微振镜口径需求较大,但在极端振动条件下使用时,良率较低。对于性能要求比较高的场景,转镜方案是更优的选择。

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不同技术路线的占比(图片来源:YOLO)

作者:雪岭飞花
一位在汽车行业摸爬滚打24年的老兵,专注人工智能技术在汽车自动驾驶系统中应用。

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