激光雷达的基本概念

激光雷达的特点以及优势所在

激光雷达的基本作用过程与原理

激光雷达的分类

行业龙头企业

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激光雷达的基本概念

激光雷达 LiDAR（Light Detection And Ranging）是一种主动式的现代光学遥感技术。它集激光、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术于一身，是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物，它被用于获得点云数据并生成精确的数字化三维模型。上述三种技术的结合，可以在一致绝对测量点位的情况下获取周围的三维实景。

激光雷达的特点以及优势所在

激光具有高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性等特点，因此激光雷达具有一系列独特的优点：角分辨率高、距离分辨率高、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强。同时激光雷达的体积和重量都比微波雷达小，使用方便灵活。同时随着超短脉冲激光技术、高灵敏度的信号探测和高速数据采集系统的发展和应用，激光雷达以它的高测量精度、精细的时间和空间分辨率以及大的探测跨度而成为一种重要的主动遥感工具。

激光雷达的基本作用过程与原理

激光雷达测物的基本作用过程是，作为光源的激光器发出特定波长的光束，射向污染剂(或毒剂云团)，该波长的光同污染剂相互作用后，有一部分光以与发射光束相反的方向反射回接收装置，经探测后便可获知有关污染剂的信息。

激光雷达探测大气污染剂在遥感中属主动式方法。还有被动式方法。被动法本身没有人工光源，本身不发射光束，只接收来自目标云团自身的热辐射或天然光源(太阳)的辐射，然后进行分析测定而得出结论。

激光雷达探测的具体技术可以分为ToF（Time-of-Flight）飞行时间法与相干探测方法。

A.其中ToF方法可以进一步区分为iToF和dToF方法：

dToF-Direct ToF，直接测量飞行时间，即测量发射脉冲与接收脉冲的时间间隔。DTOF核心组件主要有VCSEL、单光子雪崩光电二极管SPAD，以及时间数字转换器（TDC）。DTOF会在单帧测量时间内发射和接收N次光信号，然后对记录的N次飞行时间做直方图统计，其中出现频率最高的飞行时间tof用于计算目标距离。

iToF-Indirect ToF，间接测量飞行时间，大部分间接测量方案都是采用了一种测相位偏移的方法，即发射正弦波/方波与接收正弦波/方波之间相位差。如下给出了原理图和四步相位求距离的示意图。

这两种方法各有优劣，具体如下图：

不少安卓旗舰智能手机已经搭载了ToF 3D摄像头，但是基本都是基于iToF技术。比如华为Mate30、vivo NEX等机型，其原理是利用i-ToF CIS进行相位测距，测量精度与距离呈线性关系。在2020年3月，苹果在新款 iPad Pro的双摄旁搭载了dToF激光雷达，成为苹果 ToF技术的首发平台。紧跟着在10月发布的iPhone 12 Pro和iPhone 12 Pro Max上，dToF技术再次现身。

B.相干探测方法

相干探测是指相干的激光信号和本机激光振荡信号在满足波前匹配的条件下，一起入射到探测器光敏表面上，产生拍频或相干叠加，探测器输出电信号大小正比于待测激光信号波和本机激光振荡波之和的平方的探测方式。而相干探测方法主要通过测量发射电磁波与返回电磁波的频率变化解调出被测目标的距离及速度。

运用相干探测方法中比较典型的一种就是FMCW雷达。

连续波(CW)多普勒雷达可以通过调频来增强。这种雷达被称为调频连续波(FMCW)雷达。调频技术支持检测距离和目标速度，以及区分多个目标的能力。简单的连续波雷达只能分辨目标的速度，缺乏距离定时检测。速度测量功能的工作原理类似于简单的CW雷达，在CW雷达中，发射的信号通过混频器与接收信号进行连续比较。由此产生的频差与多普勒效应导致的目标的速度直接相关。

信号的飞行时间可以由发射信号和接收信号的相位差或频差来确定。因此，可以借助简单的频率比较来确定目标范围。

像脉冲雷达一样，FMCW雷达仍然受到发射功率、天线效率和接收机灵敏度的限制。FMCW信号带宽还限制了雷达的最大距离，导致在距离分辨率方面作出让步。另一方面，距离分辨率受发射信号带宽的限制。带宽更大的FMCW信号允许提高距离分辨率。

FMCW雷达可以采用多种调频调制方式，常见的调制方式有锯齿形、三角型、方波型、阶梯型和正弦型。每种调制模式都有其自身的优势，其中锯齿调制提供了相对较高的最大距离并最小化了多普勒频率的影响。三角型调制允许借助相对简单的电路和处理来确定飞行时间的频移和多普勒频率之间的差异。方波调制作为频移键控(FSK)的一种基本形式，可以提供非常精确的近距离距离测量，但不能用于区分多个目标。阶跃调制增强了干涉测量的最大范围。

激光雷达的分类

激光雷达可以按照所用激光器、探测技术及雷达功能等来分类。激光雷达中使用的激光器有二氧化碳激光器，Er:YAG激光器，Nd：YAG激光器，喇曼频移Nd：YAG激光器、GaAiAs半导体激光器、氦-氖激光器和倍频Nd：YAG激光器等。其中掺铒YAG激光波长为2微米左右，而GaAiAs激光波长则在0.8-0.904微米之间。

A.根据光与污染剂分子作用原理不同，激光雷达可分为如下几种。

①基于吸收原理的激光雷达

几乎所有的由多种原子组成的污染剂(包括化学战剂)都能吸收特定波长的光，不同的化合物吸收的光波长也不一样。要测哪种污染剂，就让激光器发出该污染剂最强烈吸收的那个波长的光。发射光被吸收掉一部分后，总有一少部分反射回探测器，分析接收到的光强度的变化就能察知污染剂的浓度大小。如将激光器发出的光束波长调谐到与待测污染剂的吸收波长相重合并使其频宽小于该污染剂的吸收线宽，这时，就将产生最强烈的吸收效应。这叫共振吸收，基于测量共振吸收的激光雷达叫共振吸收激光雷达。共振吸收时，除产生热能外，还产生荧光。基于测量共振吸收时所产生的荧光强度的激光雷达叫共振荧光激光雷达。

如果使激光器发出两束波长不同的光，其波长分别位于待测污染剂吸收峰和吸收谷的位置，测量两束光通过污染剂后各自的强度，从而计算污染剂浓度，这种方法叫作差分吸收法，用此原理工作的雷达叫差分吸收激光雷达。

②米氏散射激光雷达

光波与污染剂分子相互作用除了上述的吸收效应外，还有散射效应。所谓散射是指光在不均匀介质中传播时偏离原来的方向而向各个方向散开的现象。这一现象的产生是因为介质中混杂有折射率各不相同的微小粒子(原子、分子、微粒)之故。如果粒子的径度与光束波长大小相等或稍大于波长，则引起的散射叫米氏散射。米氏散射中入射光波长与反射光波长相等。利用米氏散射原理的激光雷达叫米氏散射激光雷达。

③喇曼散射激光雷达

如果用一束频率为υ0的单色光照射污染剂，则在散射光中除了频率为u0的成分之外，还有频率为υ0+Δυ和频率为υ0-Δυ的成分，使入射光频率发生位移的这种散射叫喇曼散射。分子种类不同，其喇曼散射光的频率位移值Δυ也不同，与入射光频率υ0无关。可见，探测后向散射光中的Δυ就可推断是哪种污染剂分子存在。利用这个原理的雷达叫喇曼散射激光雷达。

B.根据探测技术的不同分类

激光雷达可以分为直接探测型和相干探测型两种。其中直接探测型激光雷达采用脉冲振幅调制技术（AM），且不需要干涉仪。相干探测型激光雷达可用外差干涉，零拍干涉或失调零拍干涉，相应的调谐技术分别为脉冲振幅调制，脉冲频率调制（FM）或混合调制。按照不同功能，激光雷达可分为跟踪雷达，运动目标指示雷达，流速测量雷达，风剪切探测雷达，目标识别雷达，成像雷达及振动传感雷达。

相干探测型激光雷达又有单稳与双稳之分，在所谓单稳系统中，发送与接收信号共同在所谓单稳态系统中，发送与接收信号共用一个光学孔径。并由发射/接收（T/R）开头隔离。T/R开关将发射信号送往输出望远镜和发射扫描系统进行发射，信号经目标反射后进入光学扫描系统和望远镜，这时，它们起光学接收的作用。T/R开关将接收到的辐射送入光学混频器，所得拍频信号由成像系统聚焦到光敏探测器，后者将光信号变成电信号，并由高通滤波器将来自背景源的低频成分及本机振荡器所诱导的直流信号统统滤除。最后高频成分中所包含的测量信息由信号和数据处理系统检出。双稳系统的区别在于包含两套望远镜和光学扫描部件，T/R开关自然不再需要，其余部分与单稳系统的相同。

行业龙头企业

目前，涉及激光雷达的企业很多，但具备一定市场份额的中国激光雷达公司还比较少，主要有速腾聚创、大疆Livox、华为、禾赛科技、图达通。2021年汽车激光雷达上市公司龙头排行榜如下所示：

1、速腾聚创

英文名RoboSense，2014年成立，总部在深圳，是一家全球领先的自动驾驶激光雷达解决方案提供商。掌握了芯片、LiDAR传感器、感知软件三大核心技术。获得了阿里巴巴、上汽集团、北汽集团、比亚迪、德赛西威等公司的投资。

2、大疆览沃

英文名Livox，2016年成立，总部在深圳，是全球无人机龙头企业大疆，孵化的激光雷达公司，研发高性能、低成本的激光雷达，团队花费两年时间研发的车规级激光雷达——Livox 浩界 HAP，已在小鹏汽车上应用。

3、华为

华为已是家喻户晓的中国企业，华为重金研发自动驾驶技术，为车企提供智能驾驶解决方案，自然不会放过激光雷达这个核心组件。其产品一上市，市场占有率就迅速名列前茅，让人惊叹“华为速度”。官方称计划将激光雷达成本降低到200美元左右。

4、禾赛科技

2014年成立，总部位于上海，团队一开始是在硅谷做激光气体传感器的，后转战车规级激光雷达研发。对于激光雷达厂家，真是半路杀出个陈咬金，产品已获得了多家车企的认可，获得了博世、百度、小米、美团等集团的投资。

5、图达通

英文名Innovusion，2016年成立，总部位于美国硅谷，创始人是前百度自动驾驶事业部总监，团队的核心人员均为华人，在上海、苏州设有研发中心，并在中国制造。获得了蔚来汽车、愉悦资本、BAI资本等资本的投资。

从产业链角度来看，如今车载激光雷达市场之所以增长如此迅猛，主要得益于几个方面的因素刺激。

其一，自动驾驶的加速渗透，带动了激光雷达市场的迅速增长。据IDC统计，国内自动驾驶市场，L2级自动驾驶乘用车的渗透率为23.2%，同比增长了7.5%。而从去年开始，包括奔驰、宝马等在内的多款可支持L3-L4级自动驾驶的车型开始交付，奔驰是全球首家真正实现前装L3级自动驾驶在多个国家和地区量产上市的车企。这些车辆在一定程度上加速了激光雷达的量产上车速度。

其二，激光雷达的多种技术路线可以满足自动驾驶在不同场景的不同需求。当前除了特斯拉以外，其它主机厂都在积极布局以激光雷达为主传感器的自动驾驶方案。比如港口、矿山这类低速封闭的场景，对激光雷达的成本和可靠性要求较高，可优先选择成熟度高的转镜式或MEMS方案。

其三，受各方面因素影响激光雷达的价格或有望下降，未来有可能成为自动驾驶汽车的标配传感器。由于与激光雷达厂商合作的车企越多，规模效应之下激光雷达的成本也有望进一步降低，未来激光雷达量产上车有望进一步加速。

整体来看，激光雷达市场和相关产业仍然稳步增长，其发展前景广阔，仍存在巨大的市场空间。

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