在自動駕駛行業(yè)，激光雷達(dá)（LiDAR）與其它傳感器技術(shù)（攝像頭、雷達(dá)和超聲波）的相互競爭增加了對傳感器融合的需求，同時也要求對光電探測器、光源和MEMS微鏡的仔細(xì)甄選。

隨著傳感器技術(shù)、成像技術(shù)、雷達(dá)、LiDAR、電子設(shè)備和人工智能技術(shù)的進步，數(shù)十種先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）功能已得以實現(xiàn)，包括防撞、盲點監(jiān)測、車道偏離報警和停車輔助。通過傳感器融合同步此類系統(tǒng)的運行，以允許全自動駕駛車輛或無人駕駛車輛對周圍環(huán)境檢測，并警告駕駛員潛在的道路危險，甚至可以采取獨立于駕駛員的規(guī)避動作來避免碰撞。

自動駕駛汽車還必須能在高速情況下區(qū)分并識別前方物體。使用距離判斷技術(shù)，這些自動駕駛汽車必須快速構(gòu)建出約100米遠(yuǎn)道路的3D地圖，并能在250米遠(yuǎn)的距離上創(chuàng)建出高角分辨率的圖像。如果駕駛員不在場，汽車人工智能必須做出最優(yōu)決策。

此任務(wù)的幾種基本方法之一是，測量能量脈沖從自動駕駛汽車發(fā)出到目標(biāo)再返回車輛的往返飛行時間（ToF）。當(dāng)知道脈沖通過空氣的速度時，就可以計算出反射點的距離。這個脈沖可以是超聲波（聲納），也可以是無線電波（雷達(dá)）或光（LiDAR）。

這三種ToF技術(shù)，想擁有更高的角分辨率圖像，LiDAR是最好的選擇，這是因為LiDAR圖像的衍射（光束散度）更小，對鄰近物體識別能力比雷達(dá)更優(yōu)秀（見圖1）。對于高速情況下需要足夠時間來應(yīng)對如迎頭相撞等潛在危險，更高的角分辨率尤為重要。

在ToF LiDAR中，激光發(fā)出持續(xù)時間為τ的光脈沖，在發(fā)射的瞬間激活計時電路內(nèi)部時鐘（見圖2）。從目標(biāo)反射的光脈沖到達(dá)光電探測器時，會產(chǎn)生一種使時鐘失效的輸出電信號。這種電子測量往返ToF Δt 可計算出目標(biāo)到反射點的距離R。

若現(xiàn)實中激光和光電探測器位于同一位置，其距離R是由以下兩因素影響：

c為光在真空中的速度，n為傳播介質(zhì)的折射率（空氣中折射率接近1）。這兩個因素影響著距離分辨率ΔR：若激光點的直徑大于要解析的目標(biāo)大小，則測量Δt和脈沖的空間寬度w（w = cτ）的不確定性為δΔt。

第一個因子表示為ΔR = cδΔt，而第二個因子則表示為ΔR =  w = cτ。若距離測量的分辨率為5 cm，以上關(guān)系表明：δΔt約為300 ps，τ約為300 ps。ToF LiDAR要求利用小時間抖動的光電探測器和電子探測器（主要對δΔt有貢獻）和能發(fā)射短時脈沖的激光（如相對昂貴的皮秒激光）。在典型汽車LiDAR系統(tǒng)中，激光產(chǎn)生的脈沖持續(xù)時間約為4 ns，因此最小光束發(fā)散角是必需的。

圖1 光束發(fā)散角取決于發(fā)射天線（雷達(dá)）或透鏡（LiDAR）的孔徑和波長的比值。此比例對于雷達(dá)產(chǎn)生的較大光束發(fā)散角和較小角分辨率來說是偏大的。如圖，雷達(dá)（黑色）無法區(qū)分這兩輛車，而LiDAR（紅色）則可以

對汽車LiDAR系統(tǒng)設(shè)計者來說，最關(guān)鍵的就是選擇光的波長。但有以下幾項因素限制了此選擇：人眼安全性、與大氣的相互作用、可選用的激光器以及可選用的光電探測器。

最受歡迎的兩種波長是905 nm和1550 nm，905 nm光波的主要優(yōu)點是硅能吸收此波長的光子，而硅基光電探測器通常比探測1550 nm光波的砷化鎵銦（InGaAs）紅外（IR）光電探測器便宜。然而，1550 nm對人眼的安全性更高，允許激光使用的每個脈沖輻射能量更大——這是光子預(yù)算中的重要因素。

大氣衰減（在所有的天氣條件下），從空氣中粒子的散射，以及目標(biāo)物理表面的反射，都是依賴于波長的。但對于汽車LiDAR來說，由于天氣條件和反射表面類型可能性眾多，這是一個復(fù)雜的問題。在現(xiàn)實的環(huán)境中，由于1550 nm的吸水率比905 nm的更強，其實905 nm的光損失更少。

發(fā)射的脈沖中只有小部分光子到達(dá)了光電探測器的有源區(qū)域。若大氣衰減不會隨著脈沖路徑發(fā)生變化，則激光的光束發(fā)散角可忽略不計，照明點小于目標(biāo)，入射角度為零，反射為完全漫反射（Lambertian），那么脈沖光接收的峰值功率P(R)為： 

其中，P0為發(fā)射激光脈沖的光峰值功率， ρ 為目標(biāo)反射率，A0為接收器的孔徑面積，η0為探測光的光譜透射，γ為大氣衰減系數(shù)。

上述方程表明，隨著距離 R的增加，接收功率迅速降低。作為參數(shù)及R=100 m的合理選擇，光電探測器有源區(qū)域上返回的光子數(shù)近超過典型值（發(fā)射1020次），為其幾百到幾千倍的數(shù)量級。而這些光子會與未攜帶有用信息的環(huán)境光子競爭。

使用窄帶濾波器可減少到達(dá)探測器的環(huán)境光子數(shù)量，但卻不能完全消除。環(huán)境可降低檢測的動態(tài)范圍和增加噪聲（環(huán)境光子散粒噪聲）。值得注意的是，在典型的條件下，地面太陽輻射照度在905 nm到1550 nm區(qū)間。

圖2 飛行時間（ToF）LiDAR基本設(shè)置的詳解

在汽車周圍的創(chuàng)建360° x 20°的3D地圖，需要光柵掃描單個/多個激光光束，或?qū)鼍斑M行光覆蓋并收集點云數(shù)據(jù)。前一種方法被稱為掃描式LiDAR，而后者是Flash面陣式LiDAR。

有幾種方法可以實現(xiàn)掃描式LiDAR。第一種方法，以Velodyne（San Jose，CA）公司為例，安裝在車頂?shù)募す饫走_(dá)平臺以每分鐘300~900轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，同時從64顆905 nm激光二極管發(fā)出脈沖。每個光束都有一顆專用雪崩光電二極管（APD）檢測器。類似的方法是使用旋轉(zhuǎn)多面鏡，在不同方位和下傾角度，以略微不同的傾斜角度來控制單束脈沖。在惡劣且復(fù)雜的駕駛環(huán)境中，這兩個設(shè)計中的運動部件都暗藏著失敗的風(fēng)險。

第二種方法，使掃描式LiDAR變得更緊湊的方法是使用MEMS微鏡，在2D方向上以電控制光束。雖然技術(shù)上仍存在一些運動部件（微鏡也有振動），但振動幅度很小，且頻率足夠高，還可防止MEMS微鏡與汽車之間的機械共振。然而，MEMS微鏡的幾何尺寸限制了其振蕩幅度，因此采用MEMS微鏡的LiDAR視野有限，這是MEMS方法的缺點。盡管如此，由于此種方法成本低、技術(shù)成熟，還是賺足了眼球。

光學(xué)相控陣（OPA）技術(shù)，為第三種競爭掃描式LiDAR技術(shù)的方法，因其可靠的“無運動部件”設(shè)計而深受歡迎。它由光天線元件陣列組成，這些元件同樣被相干光照亮。通過獨立控制每個元件重新發(fā)射光的相位和振幅來實現(xiàn)光波轉(zhuǎn)向，遠(yuǎn)場干擾產(chǎn)生一種理想的照明模式，從單光束到多光束。不幸的是，各種各樣小元件的光損耗限制了其可用范圍。

Flash面陣式LiDAR對場景進行光覆蓋，盡管照明區(qū)域與探測器視野相匹配。在探測光學(xué)焦平面上的APD陣列即為探測器。每個APD均獨立地測量ToF以實現(xiàn)該APD對目標(biāo)特性成像。這是一種真正的“無運動部件”方法，其中切向分辨率被2D探測器的像素大小所限制。

然而，F(xiàn)lash面陣式LiDAR的主要缺點是光子預(yù)算：一旦距離超過幾十米，返回光子的數(shù)量就太少，根本無法進行可靠的探測。如果不是對場景進行光覆蓋，以犧牲切向分辨率為代價，用網(wǎng)格點狀結(jié)構(gòu)光來照明，這就可得到改善。垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs）使其可在不同方向同時發(fā)射成千上萬的光束。

由于探測電子返回脈沖和帶寬較寬的弱點，ToF LiDAR易受噪聲影響，而閾值觸發(fā)可引起測量誤差Δt?；谶@些原因，調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）LiDAR是一種有趣的選擇。

在FMCW LiDAR（或chirped 雷達(dá)）中，天線連續(xù)發(fā)射的無線電波頻率是調(diào)制的，例如其頻率隨著時間T從f0到 fmax線性增加，然后再隨著時間T從 fmax到f0線性減少。如果反射波從某處的移動物體回到發(fā)射點，其瞬時頻率將與發(fā)射瞬間的頻率不同。差異來自有兩個方面：一是與物體間的距離，二是其相對徑向速度。因此可通過電子測量頻率差異，并計算物體的距離和速度（見圖3）來確定。

受到chirped 雷達(dá)的啟發(fā)，F(xiàn)MCW LiDAR可用不同的方式接近被測物體。在最簡單的設(shè)計中，可以對照亮目標(biāo)的光束強度進行“啁啾chirp”（寬帶線性調(diào)頻）調(diào)制。該頻率與FMCW雷達(dá)的載波頻率遵守相同的規(guī)律（如多普勒效應(yīng)）。反射回來的光被光電探測器檢測到，然后恢復(fù)其調(diào)制頻率。輸出被放大，并與本機振蕩器混合，以允許測量頻率的變化，同時由此計算出目標(biāo)的距離和速度。

但是FMCW LiDAR也有其局限性。與ToF LiDAR相比，它需要更強大的計算能力。因此，F(xiàn)MCW LiDAR在生成完整3D環(huán)境視圖時，速度要慢一些。此外，測量的精度對啁啾斜線的線性度非常敏感。

目前，全固態(tài)LiDAR大有終結(jié)汽車LiDAR之趨勢，得“全固態(tài)LiDAR”者得“自動駕駛”天下。如下圖所示。

機械式LiDAR依賴宏觀的轉(zhuǎn)動部件，而混合固態(tài)LiDAR借助“微動”器件實現(xiàn)發(fā)射端的激光束掃描功能。由于全固態(tài)LiDAR內(nèi)部沒有任何宏觀或微觀上的運動部件，耐久性和可靠性的優(yōu)勢不言而喻，且順應(yīng)了自動駕駛對LiDAR固態(tài)化、小型化和低成本化的趨勢，因此成為群雄逐鹿的終極方向。

LiDAR技術(shù)分類：

（1）按照發(fā)射端分類：單點、多通道、可操縱或相控陣列、泛光面陣式；

（2）按照接收端分類：單點、線陣、二維陣列

目前，直接切入全固態(tài)LiDAR或者正朝著全固態(tài)LiDAR轉(zhuǎn)型的國內(nèi)外企業(yè)數(shù)量已逐步超越機械式LiDAR和混合固態(tài)LiDAR領(lǐng)域，領(lǐng)軍企業(yè)有下面幾個。

1． Quanergy（美國）

在全固態(tài)LiDAR領(lǐng)域最吸睛的公司則是Quanergy。Quanergy成立于2012年，總部位于硅谷中心的加州桑尼維爾，其領(lǐng)先的固態(tài)LiDAR傳感器和軟件可實時捕獲和處理高清3D地圖數(shù)據(jù)和進行對象偵測、跟蹤和分類，應(yīng)用領(lǐng)域包括運輸、安防、地圖和工業(yè)自動化等。Quanergy的LiDAR傳感器在六大關(guān)鍵商業(yè)化指標(biāo)（成本、性能、可靠性、尺寸、重量和功率效率）上均處于領(lǐng)先地位，同時滿足利用固態(tài)技術(shù)進行大規(guī)模部署所要求的耐久性和可靠性。

2． LeddarTech（加拿大）

LeddarTech成立于2007年，總部位于加拿大，專注于為自動駕駛汽車和駕駛輔助系統(tǒng)開發(fā)自己的LiDAR技術(shù)。其將在CES 2018（2018年1月9～12日在美國拉斯維加斯舉辦的國際消費電子展）重磅展出LeddarCore LCA2芯片——業(yè)界首款能夠?qū)崿F(xiàn)車用LiDAR大規(guī)模量產(chǎn)的3D固態(tài)LiDAR芯片，包括LCA2 芯片工程樣品，以及基于LCA2的3D泛光（Flash）LiDAR模組。同時展出的還包括目前仍處于開發(fā)階段的LiDAR系統(tǒng)分立方案LeddarCore LCA3，首款樣品計劃將于2018年推出。

3． Oryx Vision（以色列）

以色列初創(chuàng)公司Oryx Vision創(chuàng)立于2009年，目前，已經(jīng)通過一輪融資募集了1700萬美元，以為自動駕駛汽車開發(fā)固態(tài)深度視覺解決方案。該公司近期發(fā)布了一款新型LiDAR傳感器，利用了長波紅外激光器來追蹤路面上的物體。Oryx的相干光LiDAR系統(tǒng)使用一種被稱為“納米天線”的技術(shù)，不像激光雷達(dá)那樣通過光電傳感器來偵測光線粒子，而是根據(jù)光的“波粒二象性”以波的形式使用納米天線來感知反射回來的信號（光）。這款新型LiDAR傳感器納米天線可以接收波長為10微米的電磁波，這種波長能有效穿透煙霧，而且不會像激光雷達(dá)那樣受強光影響。

4． XenomatiX（比利時）

XenomatiX成立于2013年，總部位于比利時魯汶。其LiDAR沒有任何運動部件，尺寸小、功耗低，基于成熟的半導(dǎo)體元器件，創(chuàng)新的投影模式保證了出色的耐久性。通過數(shù)千束激光的同時照明，分辨率達(dá)到每秒百萬次的測量，從而能識別汽車周圍的任一細(xì)節(jié)事物。使用平行的低功率激光束，利用電荷積分飛行時間（ToF）法來測量距離，工作范圍達(dá)200米。

5． Continental（德國）

德國大陸集團（Continental）創(chuàng)始于1871年，是具有百年歷史的跨國性企業(yè)集團，世界領(lǐng)先的汽車配套產(chǎn)品供應(yīng)商之一。大陸集團依靠強大的研發(fā)團隊，設(shè)計生產(chǎn)的短距激光雷達(dá)SRL1成為一款可靠且高效的固態(tài)LiDAR，無需任何機械運動部件即可實現(xiàn)正面碰撞檢測等應(yīng)用。SRL1提供基于紅外激光技術(shù)的緊急制動輔助功能，且已經(jīng)在微型車上使用。Continental于去年買下美國的3D泛光（Flash）激光雷達(dá)公司Advanced Scientific Concepts，在今年的法蘭克福車展上，大陸這一采用Flash技術(shù)方案的固態(tài)激光雷達(dá)也出現(xiàn)在展示區(qū)，設(shè)計探測距離達(dá)到200米。 

此外，德國激光雷達(dá)供應(yīng)商Ibeo，國內(nèi)鐳神智能、速騰聚創(chuàng)等企業(yè)均已在全固態(tài)LiDAR領(lǐng)域布局。顯然，搶占全固態(tài)LiDAR的先機，就搶食到未來自動駕駛的“香餑餑”，全固態(tài)LiDAR已成為兵家必爭之地。盡管設(shè)計一套功能完善的LiDAR系統(tǒng)非常有挑戰(zhàn)性，但隨著研究的深入，我們正越來越接近“大部分汽車完成裝配后就可以實現(xiàn)完全自動駕駛”的時代。讓我們拭目以待，看各大自動駕駛企業(yè)如何各展身手。