[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號]激光雷達（LiDAR）作為自動駕駛車輛環(huán)境感知的“第三只眼”，能夠發(fā)射激光脈沖并接收反射光，實時構(gòu)建周圍物體的三維點云，從而為車輛決策提供精準(zhǔn)的距離和形狀信息。與攝像頭相比，激光雷達不受光線的影響，探測距離更遠、精度更高、抗干擾能力更強。

上圖示例為車載激光雷達采集到的三維點云。最早應(yīng)用于無人車的機械式激光雷達借助電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)鏡體，實現(xiàn)360度水平掃描，因此視場角大、探測距離遠、點云密度高。這種方案技術(shù)成熟度最高，Velodyne的早期64線雷達就可探測數(shù)百米范圍并輸出高密度點云。缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高昂（往往萬元以上），且由于機械旋轉(zhuǎn)部件的壽命有限，可靠性不足。因此，機械雷達主要用于研發(fā)測試或路側(cè)監(jiān)測等對成本敏感度低的場景。

隨著技術(shù)發(fā)展，半固態(tài)（混合式）激光雷達逐漸成為主流量產(chǎn)方案，現(xiàn)在很多以智駕為宣傳點的車輛上使用的就是半固態(tài)式激光雷達。半固態(tài)設(shè)計通常僅保留一個或若干微型運動部件（如轉(zhuǎn)鏡或MEMS微振鏡）來控制激光掃描方向，而發(fā)射和接收模塊本身多為固定結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計將機械運動限制在微小范圍內(nèi)，大大降低了體積和成本，并使車規(guī)級量產(chǎn)成為可能。一種常見的半固態(tài)方案是通過一個旋轉(zhuǎn)的多面體棱鏡一維掃描，再配合一個垂直振鏡進行二維掃描，從而用少量激光器實現(xiàn)高線束覆蓋和高分辨率點云。典型產(chǎn)品如禾賽AT128雷達內(nèi)部集成128個激光通道，可在垂直方向同時發(fā)射128束激光，提供接近相機級別的點云分辨率，并實現(xiàn)約200米的探測距離和每秒153萬點的點云輸出。

全固態(tài)激光雷達則徹底取消了所有機械運動部件，依靠電子手段進行激光束掃描。主要技術(shù)路線有光學(xué)相控陣（OPA）和Flash（泛光面陣）兩種。OPA利用芯片上由多個發(fā)射單元組成的相控陣，通過調(diào)節(jié)單元相位差來改變發(fā)射光束角度，從而快速、可控地掃描空間。Flash方式則類似于“閃光燈”照相，一次發(fā)射一大片激光覆蓋探測區(qū)域，再用高靈敏接收器直接構(gòu)建三維圖像。全固態(tài)方案在結(jié)構(gòu)上最為簡單，集成度最高，理論上可以實現(xiàn)最小體積、最低成本、最高可靠性。純固態(tài)設(shè)計可以把發(fā)射器、光學(xué)調(diào)制器和探測器芯片做成單片，從而顯著降低材料成本并簡化組裝過程；去掉轉(zhuǎn)動部件后使用壽命可延長到數(shù)萬小時，有利于車輛級大規(guī)模應(yīng)用。在理論上，全固態(tài)激光雷達具有取代機械式和半固態(tài)的巨大潛力，預(yù)計若量產(chǎn)良率達標(biāo)，單價可以被控制在幾百美元甚至更低。

從技術(shù)原理上看，全固態(tài)激光雷達的優(yōu)勢非常明顯，但為何到現(xiàn)在還沒有真正地大面積普及？其實全固態(tài)激光雷達存在很多難點需要解決。全固態(tài)激光雷達的光束控制與掃描范圍受限，由于沒有機械旋轉(zhuǎn)，全固態(tài)雷達的掃描范圍往往需要多個收發(fā)單元并聯(lián)才能覆蓋大視場，否則單個單元的掃描角度有限。旁瓣和斑點效應(yīng)也是OPA雷達的挑戰(zhàn)，光學(xué)相控陣在實際運行中會出現(xiàn)光柵旁瓣、干涉斑點等現(xiàn)象，使得光能在非主瓣方向擴散，從而降低探測精度和抗干擾能力。還有就是制造難度高，OPA要求陣列單元尺寸小于半個波長（一般波長約1μm，對單元尺寸要求約500nm），陣列密度越高，光能越集中，對制造精度和工藝穩(wěn)定性要求極高。能量和探測距離受限，全固態(tài)設(shè)計中每個光束的能量密度較低，導(dǎo)致有效探測距離偏短。許多Flash雷達早期受限于激光功率密度，探測距離只有幾十米。即便通過多結(jié)VCSEL等技術(shù)提升功率密度，要達到數(shù)百米探測距離，也需要在發(fā)射功率、探測靈敏度和大規(guī)模像素陣列讀出電路等方面進行協(xié)同突破。還有就是信噪比問題，全固態(tài)設(shè)計的接收面通常比機械雷達大得多，容易接收更多環(huán)境光噪聲，信噪比較低。再加上高速行駛場景下的多普勒效應(yīng)、熱效應(yīng)等外部影響，全固態(tài)雷達在分辨長距離小目標(biāo)時信號容易淹沒在噪聲中，需要采用高度優(yōu)化的探測芯片和算法來提升可靠性。簡而言之，目前市面上的全固態(tài)產(chǎn)品還難以同時兼顧大視場、高探測距離和高分辨率，這也是它們短期內(nèi)難以取代前向主雷達的重要原因。

相比之下，半固態(tài)激光雷達技術(shù)已相對成熟，并在當(dāng)下的自動駕駛市場大規(guī)模落地。半固態(tài)雷達的集成度較高、成本顯著降低且已實現(xiàn)量產(chǎn)，目前單價一般在3000元人民幣左右。當(dāng)前眾多量產(chǎn)車型均采用MEMS或者轉(zhuǎn)鏡式雷達作為前向主雷達或側(cè)面補盲雷達。華為與極狐合作的阿爾法SHI版搭載了96線MEMS雷達，蔚來ES6/ES8、小鵬G9等車型則采用了速騰聚創(chuàng)和鐳神等廠商的雷達產(chǎn)品。這些半固態(tài)雷達性能已能滿足L2+甚至部分L3場景需求，典型水平視場角可達100°以上，垂直視場也在20°–30°，探測距離多在150–200米范圍。而且隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大和技術(shù)優(yōu)化，半固態(tài)雷達的成本仍在持續(xù)下降。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計，隨著MEMS制造工藝的成熟和出貨量提升，半固態(tài)雷達未來售價有望進一步接近500–800美元。目前，它們與毫米波雷達和高清攝像頭協(xié)同構(gòu)成了自動駕駛輔助系統(tǒng)中較為經(jīng)濟高效的感知方案。

全固態(tài)激光雷達具備小體積、高可靠、低成本的理論優(yōu)勢，但由于光學(xué)和電子技術(shù)的多重挑戰(zhàn)，目前還未能大規(guī)模量產(chǎn)。半固態(tài)雷達因折中式設(shè)計已成為當(dāng)下自動駕駛的主流選擇，且性能不斷提升、成本持續(xù)下降。未來的激光雷達發(fā)展將繼續(xù)朝著“高性能、低成本、小體積、高可靠性”方向邁進，全固態(tài)技術(shù)的突破有望最終引領(lǐng)這一趨勢，但在此之前半固態(tài)解決方案仍將在市場中占據(jù)重要位置。隨著芯片工藝和算法的迭代更新，我們有理由相信全固態(tài)激光雷達的門檻會逐步被攻破，其應(yīng)用前景依然值得期待。

審核編輯 黃宇