戲說(shuō)激光雷達，無(wú)用論是真的嗎？

“傻子才用激光雷達！就像人身上長(cháng)了一堆闌尾一樣無(wú)用！”

　　有一天，“鋼鐵俠”馬斯克說(shuō)了這樣一席話(huà)：

　　當他公開(kāi)說(shuō)出這句話(huà)的時(shí)候，我們所認知的自動(dòng)駕駛領(lǐng)域就被分為了視覺(jué)攝像頭派和激光雷達派兩種。當然，且不說(shuō)馬斯克的激光雷達無(wú)用論是否準確，但是激光雷達確實(shí)已成為現在各個(gè)車(chē)企發(fā)展的重點(diǎn)，前不久的2021廣州車(chē)展就是一個(gè)很好的例子，大量的激光雷達被裝配在一些新車(chē)之上。所以看來(lái)，激光雷達已經(jīng)成為各大車(chē)企實(shí)現高級自動(dòng)駕駛的重要一環(huán)。那么，它真如馬斯克嘴里說(shuō)的那么“無(wú)用”嗎？

初識激光雷達

　　激光雷達英文為L(cháng)idar（Light Detection and Ranging），是以激光為載體進(jìn)行測距和探測的傳感器。而它也屬于雷達的一種，但有別于我們常見(jiàn)的毫米波雷達和超聲波雷達，激光雷達是采用激光束來(lái)進(jìn)行探測。

　　早在激光雷達推出以前，主流的車(chē)企輔助駕駛都采用了以毫米波雷達和攝像頭為核心的感知機構。首先，毫米波雷達是一種用天線(xiàn)發(fā)射毫米波作為放射波的雷達傳感器，通過(guò)處理目標反射信號獲取汽車(chē)與其他物體相對距離、相對速度、角度及運動(dòng)方向等物理環(huán)境信息。不過(guò)，毫米波雷達只能簡(jiǎn)單地獲取前方是否有障礙物，但無(wú)法對障礙物的類(lèi)別進(jìn)行精準的識別，而這就會(huì )造成“幽靈剎車(chē)”的現象發(fā)生。

　　一般來(lái)說(shuō)，傳統的毫米波雷達會(huì )因為系統算法的問(wèn)題，自動(dòng)過(guò)濾掉靜止物體，但是不同的硬件和系統方案，過(guò)濾的程度不太一樣，這也是“幽靈剎車(chē)”的來(lái)源。比如，對不具備危險的障礙物過(guò)濾得太少，當路上的一些金屬碎片產(chǎn)生反射時(shí)，就會(huì )出現類(lèi)似的緊急剎車(chē)，因此路上的路牌、高速攝像頭的龍門(mén)架、兩側的護欄、甚至路上的一個(gè)金屬瓶子等等，諸如此類(lèi)可以反射回波的物體都會(huì )被毫米波雷達識別為障礙物，因此導致在車(chē)輛開(kāi)啟自動(dòng)駕駛的時(shí)候，系統自動(dòng)對車(chē)輛采取減速、誤剎的現象。

　　而車(chē)載攝像頭作為輔助駕駛的必備傳感器之一，其能夠感知車(chē)輛周?chē)那闆r并實(shí)現前向碰撞預警、車(chē)道偏離預警、行人檢測、自動(dòng)泊車(chē)等自動(dòng)駕駛功能，實(shí)現駕駛安全性的提升。另外，車(chē)載攝像頭也會(huì )因為其設置的位置不同，擁有一定的需求特性及應用場(chǎng)景，是一個(gè)非常系統的存在。其中，對于環(huán)視和后視，一般采用135度以上的廣角鏡頭，探測距離在10米以?xún)?，前置攝像頭對視距要求更大，一般采用40-70度的視角范圍，視距要求一般在120米以上，雙目攝像頭視距一般小于單目。

　　不過(guò)，攝像頭作為車(chē)載傳感器也存在一些不足，包括識別精度較低，容易受強光、雨幕、大霧等惡劣天氣影響等?，F階段單獨依靠攝像頭識別，無(wú)法滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛對環(huán)境感知需求。所以激光雷達的優(yōu)勢，就被體現在對物體識別低誤差這里。

開(kāi)天辟地的激光雷達

　　激光，它最初的中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱(chēng)LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞頭一個(gè)字母組成的縮寫(xiě)詞。意思是“通過(guò)受激輻射光擴大”。之后，我國兩彈一星的元勛錢(qián)學(xué)森院士把它改為了現在我們所稱(chēng)的激光（光受激輻射）。

　　其實(shí)早在1916年，愛(ài)因斯坦就發(fā)現了激光的原理，但44年后的1960年7月，美國休斯實(shí)驗室的西奧多·梅曼，發(fā)明了人類(lèi)歷史上第一臺激光器。為了達到“燃燒”所需要的條件，他用高強閃光燈管來(lái)激發(fā)紅寶石，最終促成了真正意義上的激光。而就在它“出道”的第二年，也就是1961年，科學(xué)家們就提出了激光雷達的設想。

西奧多·梅曼

　　因為激光的指向性非常的強，并且融合了光垂直的物理特性，因此作為測距工具再好不過(guò)。1967年7月，美國人進(jìn)行了第一次載人登月飛行，就在月球上安裝了一個(gè)發(fā)射裝置用于測算地球和月球的距離。

按在月球上的激光反射鏡

　　1969年7月21日，乘坐“阿波羅11號”登月的宇航員尼爾·阿姆斯特郎和巴茲·奧爾德林在月球上的“寧靜?！钡顷懞?，將月球激光反射鏡留在了月球上，而在20世紀60年代末70年代初，人類(lèi)送上月球的“隅角鏡”（月球激光反射鏡）共有5面。其作用可以讓地球上的天文學(xué)家向它發(fā)射激光，并捕捉到反射回來(lái)的光束。

　　不過(guò)，真正將激光雷達作為民用量產(chǎn)傳感器來(lái)使用的，是在一個(gè)掃地機器人之上。

　　2002年，美國的軍用機器人公司iRobot嘗試將機器人技術(shù)與掃地功能相結合，其首款量產(chǎn)的掃地機器人Roomba 400就這么出現了。一經(jīng)投入市場(chǎng)之后即大受歡迎，當年就銷(xiāo)售出去將近10萬(wàn)臺。但是，在當時(shí)的機器人由于感知設備不完善，所以在工作狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生出“走位不準”的現象。于是，在2010年，另一家名為Neato的公司把激光雷達安在了掃地機器人上面，推出了Neato XV-11。

　　它通過(guò)一個(gè)可以360度旋轉的激光發(fā)射裝置，實(shí)時(shí)對地面障礙物進(jìn)行測距來(lái)完成地面建模，之后在配合SLAM（simultaneous localization and mapping，同步定位與建圖）算法，可以實(shí)現對地面的“全局規劃式”清掃?？梢哉f(shuō)這個(gè)革命性的配備，正式拉開(kāi)了掃地機器人普及。

　　其實(shí)明眼人一下子就能看出，這個(gè)掃地機器人就是一個(gè)低配版的自動(dòng)駕駛，那既然掃地機器人吃了“螃蟹”，那自動(dòng)駕駛汽車(chē)是不是也可以配個(gè)激光雷達呢？20世紀80年代末，美國卡內基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）由一輛雪佛蘭廂式貨車(chē)改造成了世界上第一輛自動(dòng)駕駛車(chē)輛Navlab 1，它安裝了激光雷達和GPS接收器。貨車(chē)內部則看上去有些像電視臺的監視車(chē)，堆滿(mǎn)了監控路況和控制空調機組的電腦，其中包括了一個(gè)Warp超級計算機、3個(gè)SUN工作站以及視頻硬件等。

Navlab 1

　　不過(guò)由于當時(shí)技術(shù)的限制，支配這款車(chē)自動(dòng)駕駛的設備非常的龐大，包含攝像機、激光測距儀，20千瓦的車(chē)載電源，Wrap超級計算機和幾臺Sun 3和4工作站，陀螺儀，慣性導航系統以及衛星定位系統等，并且還搭載了幾個(gè)英特爾386實(shí)時(shí)處理器，用于處理傳感器信息和生成車(chē)輛運動(dòng)指令?？梢哉f(shuō)這輛車(chē)是帶了一個(gè)“計算機房”參與工作，幾乎占滿(mǎn)了車(chē)廂的空間。

Navlab 1內部

　　在之后的十幾年中，隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展，一些更為接近實(shí)用的自動(dòng)駕駛車(chē)輛被相應推出，直到2014年，自動(dòng)駕駛車(chē)輛開(kāi)始步入正軌，而激光雷達也逐漸的迎來(lái)了新一輪的發(fā)展。

認知激光雷達

　　那么，激光雷達究竟是什么呢？那我們就先從它的原理說(shuō)起。

　　一般在家庭裝修的時(shí)候，設計師要測量屋內的尺寸面積時(shí)，往往會(huì )拿著(zhù)一個(gè)激光測距儀來(lái)進(jìn)行探測，比如這個(gè)：

　　其實(shí)激光雷達的原理也和其相像，可以看做是拿多個(gè)激光測距儀工作，再比如這個(gè)：

　　細致來(lái)講，激光雷達通過(guò)測量激光信號的時(shí)間差和相位差來(lái)確定距離，并利用多譜勒成像技術(shù)繪制出目標清晰的3D圖像。激光雷達通過(guò)發(fā)射和接收激光束，分析激光遇到目標對象后的折返時(shí)間，計算出到目標對象的相對距離，并利用此過(guò)程中收集到的目標對象表面大量密集的點(diǎn)的三維坐標、反射率和紋理等信息，快速得到出被測目標的三維模型以及線(xiàn)、面、體等各種相關(guān)數據，建立三維點(diǎn)云圖，繪制出環(huán)境地圖，以達到環(huán)境感知的目的。

　　由于光速非?？?，飛行時(shí)間可能非常短，因此要求測量設備具備非常高的精度。從效果上來(lái)講，激光雷達維度（線(xiàn)束）越多，測量精度越高，安全性就越高。

　　利用能探測到單光子的超高速攝像機，科學(xué)家首次捕捉到了激光在空氣中飛行的畫(huà)面（圖片源于網(wǎng)絡(luò )）

　　在系統結構上，激光雷達=激光發(fā)射+激光接收+信息處理+掃描系統。這些機構各司其職，共同輔佐來(lái)完成整個(gè)探測的工作。

　　具體來(lái)看，首先激光發(fā)射系統中激勵源周期性地驅動(dòng)激光器，發(fā)射激光脈沖，激光調制器通過(guò)光束控制器控制發(fā)射激光的方向和線(xiàn)數，最后通過(guò)發(fā)射光學(xué)系統，將激光發(fā)射至目標物體。而這需要掃描系統的支持，以穩定地轉速旋轉起來(lái)實(shí)現對所在平面的掃描，并產(chǎn)生實(shí)時(shí)的平面圖信息。

　　之后，激光接收系統的光電探測器接受目標物體反射回來(lái)的激光，便會(huì )產(chǎn)生接收信號傳輸到信息處理系統將信號放大處理和數模轉換，在由信息處理模塊計算，獲取目標表面形態(tài)、物理屬性等特性，最終建立物體模型。

　　作為“非專(zhuān)業(yè)小白”的我們，在面對市場(chǎng)上琳瑯滿(mǎn)目的激光雷達產(chǎn)品，該怎么去認知性能的好壞呢？一般來(lái)講，激光雷達注重的參數很多，包括激光的波長(cháng)、探測距離、FOV(垂直+水平)、測距精度、角分辨率、出點(diǎn)數、線(xiàn)束、安全等級、輸出參數、IP防護等級、功率、供電電壓、激光發(fā)射方式(機械/固態(tài))、使用壽命等。

　　但是作為我們，只要專(zhuān)注想數即可。那他們又分別是什么呢？我們來(lái)一個(gè)一個(gè)說(shuō)。

激光波長(cháng)

　　波長(cháng)是指波在一個(gè)振動(dòng)周期內傳播的距離，激光的波長(cháng)越大，其繞射的能力就越強，對于遠處的不規則物體的識別就越清晰。目前在市面上所搭載的激光雷達波長(cháng)分為905nm和1550 nm兩種。其中，波長(cháng)為905nm的激光雷達采用硅基光電探測器為發(fā)射源，且具有成本較低和技術(shù)成熟的優(yōu)勢。不過(guò)它也有缺點(diǎn)，就是905nm激光源對于人眼有一定傷害。雖然它屬于不可見(jiàn)光源，但是在一定的能量下，該波長(cháng)的激光照射人類(lèi)眼球時(shí)，會(huì )灼傷視網(wǎng)膜，所以在被用作激光雷達發(fā)射源時(shí)要降低功率，因此其抗天氣干擾能力卻偏弱，對雨霧的穿透力不足。

　　而1550 nm激光雷達采用銦鎵砷(InGaAs)近紅外探測器為發(fā)射源，它的激光遠離人眼吸收的可見(jiàn)光光譜，相比于905 nm激光,同等功率的1550 nm激光人眼安全性提高40倍，具有較高的安全性。因此完全可以全功率運行，在對于極端天氣環(huán)境有著(zhù)較高的穿透性（1550nm的透過(guò)率為0.65，905nm的透過(guò)率僅為約0.51）。不過(guò)，它的缺點(diǎn)也很明顯，就是整體的價(jià)位要高于905nm激光雷達，并系統的體積尺寸也高于前者，因此無(wú)法安裝在車(chē)頭位置，只能安裝在車(chē)頂之上。

探測距離

　　激光雷達的測距與目標的反射率相關(guān)，反射率就是射到目標物的激光能夠被反射回來(lái)的比率，目標反射率越高，雷達能夠檢測到的有效回波就越多，所以能測量的距離越遠。所以在激光雷達產(chǎn)品的參數表中，200m 10%反射率的意思就是激光束在200m的距離中能夠識別最低10%光線(xiàn)反射率的物體（白紙），所以如果一家激光雷達廠(chǎng)商在發(fā)布產(chǎn)品的時(shí)候，只提最遠探測距離而不提小于10%的反射率，那絕對是不負責任的行為。

測距精度

　　這里是指探測距離的精確度，一般以厘米計，探測精度越高，3D景深刻畫(huà)的越準。

　　一般來(lái)說(shuō)，激光雷達的距離探測原理有兩種，一種是三角測距法，另一個(gè)就是TOF測距法。

　　首先，三角測距法的原理是：當激光源發(fā)射出的激光信號以一定的入射角照射到了一個(gè)物體表面之后，產(chǎn)生了一個(gè)反射的現象。而反射出來(lái)的光斑經(jīng)過(guò)了一個(gè)光學(xué)透鏡后成像在CCD傳感器上。而當要被測量的物體沿激光方向發(fā)生移動(dòng)時(shí)，CCD上的光斑就會(huì )產(chǎn)生移動(dòng)，并通過(guò)光斑移動(dòng)距離來(lái)計算出被測物體與基線(xiàn)的距離值。所以，整體的測量需要由入射光、反射光構成一個(gè)三角形來(lái)算出目標物體與雷達的距離值、相對方位角度值。

　　而TOF測距法就是激光器在發(fā)射一個(gè)激光脈沖的同時(shí)，由計時(shí)器來(lái)記錄下發(fā)出的時(shí)間，回返光由接收器接收并距離下時(shí)間，兩個(gè)時(shí)間相減，得到“飛行時(shí)間”，再由光速計算出距離。

　　兩者雖然都是根據光的傳播來(lái)確定目標的距離，但三角雷達只有在近距離的時(shí)候其精度最高，如果探測遠距離目標后，隨著(zhù)探測距離原來(lái)越遠，目標圖像在CCD傳感器上的位置差和角度也越來(lái)越小，當測量值超過(guò)某一距離后，CCD幾乎無(wú)法分辨，因此不適合遠距離測量。而TOF采用脈沖激光采樣，依賴(lài)飛行時(shí)間，時(shí)間精度并不會(huì )隨著(zhù)長(cháng)度增加而變化，同時(shí)TOF能?chē)栏窨刂埔晥?chǎng)以減少環(huán)境光的影響。相比三角測距法，TOF雷達可以測量的距離更遠，并且可以在長(cháng)距離范圍內保持較高精度。

激光線(xiàn)束

　　在我們去了解激光雷達的時(shí)候，往往聽(tīng)的最多參數就是這個(gè)款激光雷達是多少線(xiàn)束的，那么線(xiàn)束的多少與其關(guān)系究竟是什么呢？

　　一般來(lái)說(shuō)，激光雷達分為單線(xiàn)和多線(xiàn)兩種，而多線(xiàn)還可以繼續細分4線(xiàn)、8線(xiàn)、16線(xiàn)、32線(xiàn)、64線(xiàn)、128線(xiàn)。其實(shí)，這里的線(xiàn)束所指的是激光雷達所發(fā)射出的激光信號，而單線(xiàn)激光雷達只能進(jìn)行平行掃射探索而不能垂直掃射探索，因此雖然在掃描速度和分別率上有著(zhù)不錯的表現，但由于無(wú)法測量物體的高度，因此在使用上有很大的局限性，因此只能用于伺服機器人上使用，也就是掃地機器人之上等。

幾個(gè)品牌之間的50米外照射人身線(xiàn)束對比（圖片源于網(wǎng)絡(luò )）

　　多線(xiàn)激光雷達，顧名思義，它可以發(fā)射出多條激光信號，可以有效地測量出物體的高度輪廓等，并且線(xiàn)束越多，測量的出輪廓的精度就越高，當然，處理的數據量越大，對硬件要求也就越高，價(jià)格自然也就越貴。

　　FOV(垂直+水平)這個(gè)指標如果用大白話(huà)說(shuō)就是激光雷達的探索視野大小，我們常見(jiàn)的那種在車(chē)輛頭頂360度旋轉的激光雷達，它的水平FOV是360度。而固態(tài)激光雷達的水平FOV會(huì )小一些，其中120度已經(jīng)算是大視角了，因此水平FOV越大，能夠探測的范圍越廣。而垂直的FOV一般在多線(xiàn)雷達上可以被體現，它所指的是最上面一束激光和最下面一束激光形成的夾角。而大部分的激光雷達的垂直FOV都會(huì )將視野偏下靠地面一些，度過(guò)水平為0度，那么上15度，向下25度，這樣垂直FOV就是40度。這樣做最大的原因就是可以讓雷達探測到更多的地面車(chē)輛和行人目標，以保證行駛中掃描的精確性。

角分辨率

　　激光雷達輸出的圖像也被稱(chēng)為“點(diǎn)云”圖像，相鄰兩個(gè)點(diǎn)之間的夾角就是角分辨率，一般來(lái)說(shuō)角分辨率分為兩種，一個(gè)是垂直分辨率，另一個(gè)是水平分辨率。其中，水平方向上做到高分辨率其實(shí)不難，因為水平方向上是由電機帶動(dòng)的，所以水平分辨率可以做得很高。一般可以做到0.01度級別。垂直分辨率是與發(fā)射器幾何大小相關(guān)，也與其排布有關(guān)系，就是相鄰兩個(gè)發(fā)射器間隔做得越小，垂直分辨率也就會(huì )越小，垂直分辨率為0.1~1度的級別。另外，由于激光雷達的采樣率是一定的，因此幀率越高，角分辨率越低；幀率越低，角分辨率越高。

　　比如上圖的這款激光雷達的最小角分辨率0.08°對應的是幀率10Hz的條件下，當幀率設置為20Hz時(shí)，角分辨率自動(dòng)變成0.16°。采樣率表示激光雷達每秒鐘進(jìn)行有效采集的次數，可直觀(guān)理解為一秒內產(chǎn)生的點(diǎn)云數目。采樣率可以通過(guò)角分辨率和幀率計算：角分辨率0.08°時(shí)，每一幀的點(diǎn)云數目：360°/0.08°=4500；每秒10幀，則每秒的點(diǎn)云數目：4500×10=45000；所以PAVO的采樣率為45kHz。

出點(diǎn)數

　　這個(gè)就好理解了，它就是每秒激光雷達發(fā)射的激光點(diǎn)數。激光雷達的點(diǎn)數一般從幾萬(wàn)點(diǎn)至幾十萬(wàn)點(diǎn)每秒左右。比如，一個(gè)性能為64線(xiàn)，水平FOV是120°，水平分辨率在10Hz的掃描頻率下是0.2°的情況下，其換算等于：激光單次可以打出64點(diǎn)，掃描一次120°能打出64x120/0.2=38400，1秒掃描10次，一共有384000 pts/s。所以出點(diǎn)數越多，掃描的效果越好。

　　除了以上幾點(diǎn)，激光雷達還要注重的，就是對深色物體檢出率和對環(huán)境光抗干擾能力。

深色物體檢出率

　　在我們生活的這個(gè)世界中，萬(wàn)物的顏色五彩斑斕，但這其中的深色物會(huì )吸收大部分的光能（如：被涂黑的自制太陽(yáng)能熱水器），因此激光雷達的激光信號打在白色物體與深色物體的檢出率是截然不同的，何況現在生活中大部分的物體都是以深色為主，因此激光雷達對深色物體的檢出率非常重要。

　　目前，市場(chǎng)上所銷(xiāo)售的激光雷達都是以90%反光率的白紙（漫反射物體）作為測試參考基準，但對于深色數據的有效檢出也同樣是一個(gè)重要的性能指標。起碼正常情況下一款號稱(chēng)有10米以上的激光雷達，至少能實(shí)現6米以上的深色物體的有效檢測才可以。

環(huán)境光抗干擾能力

　　除了對深色物體的探測外，環(huán)境光也會(huì )對激光雷達的探測產(chǎn)生影響，這其中就包括了太陽(yáng)光或者室內的燈光等，它們都會(huì )對雷達傳感器產(chǎn)生影響而產(chǎn)生噪點(diǎn)，并且也會(huì )導致雷達的有效測量距離變短或者完全無(wú)法進(jìn)行距離測量。所以能否區分環(huán)境光，這對激光雷達的調教與系統和算法有著(zhù)很高的要求。

探知激光雷達的類(lèi)別

　　以上說(shuō)得只是激光雷達的工作方式，如果按照掃描方式的不同，它又可以分為旋轉機械式激光雷達、混合半固態(tài)雷達和全固態(tài)雷達。

機械式激光雷達

　　機械式激光雷達一般都采用了360度旋轉式掃描方式，可以對四周的環(huán)境進(jìn)行物理旋轉3D掃描，以此形成全面的覆蓋形成點(diǎn)云。

　　不過(guò)它也有缺點(diǎn)，首先高頻的轉動(dòng)和復雜的機械結構致使其平均的失效時(shí)間僅1000-3000小時(shí)，難以達到車(chē)規級設備最低13000小時(shí)的要求。并且機械式激光雷達的放置位置要放在車(chē)輛的最高點(diǎn)，所以不僅占地太高，還需對車(chē)輛的頂部進(jìn)行加固改造，對車(chē)輛的重心安全帶來(lái)了影響，另外制約它最重要的一點(diǎn)就是——貴！八萬(wàn)起，還必須是美刀。

純固態(tài)激光雷達

　　純固態(tài)激光雷達相比于前邊提到的機械式結構雷達而言，由于沒(méi)有了復雜的旋轉機構，因此在產(chǎn)品耐久度有巨大的提升，并且整體設備的體積大小也被有效的壓縮。目前市面上常見(jiàn)的固態(tài)雷達分為OPA光學(xué)相控陣和Flash閃光兩種。

OPA（Optical Phased Array）光學(xué)相控陣激光雷達

　　在提到這個(gè)形式的激光雷達前，我們先來(lái)了解一下什么叫相陣控。

　　在我們生活中最常見(jiàn)的例子就是水波。比如：在一個(gè)方形的池子中，兩處因震動(dòng)而產(chǎn)生的兩處水波會(huì )在交匯的地方產(chǎn)生相互疊加現象。如果有的方向兩列波互相增強，有的方向則正好抵消，就可以輕易地控制水波的方向了。

　　所以如果基于這個(gè)現象，將采用多個(gè)光源組成陣列，通過(guò)控制各光源發(fā)射的時(shí)間差，就能合成角度靈活，且精密可控的主光束，這就是相控陣的原理?，F實(shí)中，常見(jiàn)運用該原理的設備就是軍事上常用的相陣控雷達了。通過(guò)控制相控陣雷達平面陣列各個(gè)陣元的電流相位，利用相位差可以讓不同的位置的波源會(huì )產(chǎn)生干涉，從而指向特定的方向。往復控制相位差便可以實(shí)現掃描的效果。

　　常見(jiàn)的軍用相陣控雷達如美國安放在“阿利·伯克級”驅逐艦上的AN/SPY-1D“宙斯盾”相陣控雷達和我國052C導彈驅逐艦上配置的346“海之星”相陣控雷達。

　　“阿利·伯克級”驅逐艦上的AN/SPY-1D“宙斯盾”相陣控雷達

　　我國052C導彈驅逐艦上配置的346“海之星”相陣控雷達

　　在激光雷達上，也同樣利用了相位差控制干涉讓激光“轉向”特定的角度，往復控制實(shí)現掃描效果，而這被稱(chēng)之為光波導陣列。

　　光波導陣列通過(guò)加電方式來(lái)實(shí)現光束掃描，利用光波導電光效應，對波導芯層加載電壓，使每個(gè)波導芯層具有不同的附加折射率，波束得以在波導陣元輸出截面光場(chǎng)具有不同的附加相位差，相位差按一定規律分布可引起輸出光速的偏轉。通過(guò)相位差按照一定規律分布輸出，從而實(shí)現光束的掃描。

　　不過(guò)，這款雷達在數據上雖好，但是在工藝上有著(zhù)極高的要求。首先，陣列單元尺寸必需不大于半個(gè)波長(cháng)，因此每個(gè)器件尺寸僅500nm左右，對材料和工藝的要求都極為苛刻，因此成本也相應的居高不下，所以再市場(chǎng)的運用上不是很高。

Flash閃光激光雷達

　　Flash閃光激光雷達的原理是短時(shí)間向前方發(fā)射大面積覆蓋的激光，就好比連續打開(kāi)的手電筒，通過(guò)高度靈敏的接收器實(shí)現對環(huán)境周?chē)鷪D像的繪制。Flash激光雷達的原理類(lèi)似于拍照，但最終生成的數據包含了深度等3D數據，而它也是目前純固態(tài)激光雷達最主流的技術(shù)方案。

　　不過(guò)，由于是在短時(shí)間內發(fā)射大面積激光，因此在探測距離上有了一定限制，基本應在低速無(wú)人車(chē)之上。

混合固態(tài)雷達

　　如果將機械雷達與固態(tài)雷達的特點(diǎn)稍微結合一下的話(huà)，混合式固態(tài)雷達是一個(gè)不錯的選擇。因為該雷達在成本、體積等方面更容易得到控制。目前市面上常見(jiàn)的混合固態(tài)雷達為MEMS振鏡、轉鏡、棱鏡模式。

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）振鏡激光雷達

　　MEMS振鏡激光雷達是采用控制一個(gè)微小的鏡面扭轉角度來(lái)實(shí)現掃描，而激光發(fā)射器不會(huì )移動(dòng)，那它具體的原理是什么呢？

　　MEMS指微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System），它可以被看做一個(gè)縮小的機械轉鏡。根據驅動(dòng)分類(lèi)，它可以分為電熱驅動(dòng)、靜電驅動(dòng)、電磁驅動(dòng)和壓電驅動(dòng)四種方式。并可以平動(dòng)和扭轉（x、y兩個(gè)方向）兩種機械運動(dòng)方式進(jìn)行掃描，可以實(shí)現非常高的掃描頻率?，F在用于激光掃描投影的MEMS芯片掃描頻率可以達到40kHz，相當于一秒鐘掃描4萬(wàn)次。另外，由于取消了馬達、多棱鏡等較為笨重的機械運動(dòng)設備，毫米級尺寸的微振鏡大大減少了激光雷達的尺寸。

　　不過(guò)，雖然MEMS振鏡激光雷達有著(zhù)耐久度高和成本低的優(yōu)勢，但振鏡會(huì )受外界溫度、振動(dòng)環(huán)境影響導致諧振頻率變化導致線(xiàn)束紊亂，最終導致成像歪曲等問(wèn)題，并且MEMS振鏡激光雷達也會(huì )有信噪比低，有效距離短等問(wèn)題。雖然增大鏡面尺寸可以有效增加MEMS激光雷達的精度，但最大偏轉角度也會(huì )因此受限，FOV視場(chǎng)角會(huì )更加受限，這對廠(chǎng)家的工藝與設計能力有著(zhù)很高的要求。

轉鏡激光雷達

　　轉鏡激光雷達則是依靠一個(gè)圍繞中心旋轉的反射鏡來(lái)進(jìn)行光折射掃描，它在功耗、散熱等方面有著(zhù)不錯的優(yōu)勢。

　　它的缺點(diǎn)也與MEMS振鏡一樣，存在信噪比低，和有效距離短，FOV視場(chǎng)角受限等問(wèn)題。

棱鏡激光雷達

　　這種激光雷達的內部一般采用雙楔形棱鏡結構，其中激光在通過(guò)第個(gè)楔形棱鏡后發(fā)生一次偏轉，之后在通過(guò)第二個(gè)楔形棱鏡后再一次發(fā)生偏轉。只要控制兩面棱鏡的相對轉速便可以控制激光束的掃描形態(tài)。

　　值得注意的是，棱鏡激光雷達的掃描軌跡呈花瓣狀，并非我們常見(jiàn)的平行掃描軌跡。這樣的優(yōu)點(diǎn)是只要掃描轉速控制得當，在同一位置長(cháng)時(shí)間掃描幾平何以覆蓋整個(gè)區域，并且它不像傳統旋轉激光雷達一樣讓收發(fā)模塊在進(jìn)行轉動(dòng)，從而避免了類(lèi)似傳統旋轉激光雷達的多次校準。

　　但棱鏡激光雷達最大的不足就是其FOV（視場(chǎng)角）較小，因此需要搭配多個(gè)棱鏡激光雷達來(lái)覆蓋視場(chǎng)補盲。

其它領(lǐng)域的激光雷達

　　激光雷達因擁有較高的識別率，分辨精度等優(yōu)勢，因此除了測距功能外，還發(fā)展出激光跟蹤、激光測速、激光掃描成像等技術(shù)，并被廣泛運用到我們生活的周邊設施之上。

　　比如，我們常見(jiàn)的在3D打印里，就包含了激光雷達，其主要用來(lái)測量和監控打印物，以此來(lái)減小制作的誤差。而在我們生活的城市中，激光雷達會(huì )被運用到測速方面，其探測的距離相比傳統的測速雷達要更遠更精準。

　　在海洋探索與漁業(yè)資源中，激光雷達主要被運用在漁業(yè)資源調查和海洋生態(tài)環(huán)境監測兩方面。其中，業(yè)資源調查采用藍綠脈沖光作為激發(fā)光源，通過(guò)對激光回波信號的識別提取以獲得魚(yú)群分布區域和密度信息，結合偏振特征分析可對魚(yú)群種類(lèi)進(jìn)行識別。而海洋生態(tài)環(huán)境監測常采用海洋激光熒光雷達，通過(guò)對激光誘導目標物發(fā)射的熒光等光譜信號的探測分析以獲得海洋浮游生物及葉綠素等物質(zhì)的種類(lèi)和濃度分布信息。

　　除此之外，激光雷達還可以被運用在險情預報、醫學(xué)掃描、軍事偵測等方面，非常的廣泛。