無人駕駛是汽車的未來，但要實現真正的無人駕駛，激光雷達將是不可或缺的一個傳感器，雖然它不是萬能的，但在它的配合下，無人駕駛將更加安全和可實現。
激光雷達(LiDAR)是無人駕駛汽車中最強大的傳感器之一。它可以區分真實移動中的行人和人物海報、在三維立體的空間中建模、檢測靜態物體、精確測距。它是通過發射激光束來探測目標位置、速度等特徵量的雷達系統，具有測量精度高、方向性好等優點， 在軍事領域以及民用的地理測繪等領域都有廣泛的應用。 由於激光雷達可以形成精度高達釐米級的 3D 環境地圖， 因此在 ADAS 及無人駕駛系統中具有重要作用。
激光雷達的原理與結構
與雷達原理相似，激光雷達使用的技術是飛行時間(TOF， Time of Flight)。具體而言，就是根據激光遇到障礙物後的折返時間，計算目標與自己的相對距離。激光光束可以準確測量視場中物體輪廓邊沿與設備間的相對距離，這些輪廓信息組成所謂的點雲並繪製出3D環境地圖，精度可達到釐米級別，從而提高測量精度。
在ADAS系統中，激光雷達通過透鏡、激光發射及接收裝置，基於TOF飛行時間原理獲得目標物體位置、移動速度等特徵數據並將其傳輸給數據處理器；同時，汽車的速度、加速度、方向等特徵數據也將通過CAN總線傳輸到數據處理器；數據處理器對目標物體及汽車本身的信息數據進行綜合處理並根據處理結果發出相應的被動警告指令或主動控制指令，以此實現輔助駕駛功能。
下圖展現的是谷歌無人駕駛公司Waymo在汽車上使用的激光雷達的佈局：
激光雷達的分類
激光雷達按有無機械旋轉部件分類，包括機械激光雷達和固態激光雷達。機械激光雷達帶有控制激光發射角度的旋轉部件，而固態激光雷達則依靠電子部件來控制激光發射角度，無需機械旋轉部件。
機械激光雷達由光電二極管、MEMS反射鏡、激光發射接受裝置等組成，其中機械旋轉部件是指圖中可360°控制激光發射角度的MEMS發射鏡。
固態激光雷達與機械雷達不同，它通過光學相控陣列(Optical Phased Array)、光子集成電路(Photonic IC)以及遠場輻射方向圖(Far Field Radiation Pattern)等電子部件代替機械旋轉部件實現發射激光角度的調整。
由於內部結構有所差別，兩種激光雷達的體積大小也不盡相同。機械激光雷達體積較大、價格昂貴、測量精度相對較高，一般置於汽車外部。固態激光雷達尺寸較小、性價比較高、測量精度相對低一些，但可隱藏於汽車車體內，不會破壞外形美觀。
根據線束數量的多少，激光雷達又可分為單線束激光雷達與多線束激光雷達。顧名思義，單線束激光雷達掃描一次只產生一條掃描線， 其所獲得的數據為2D數據，因此無法區別有關目標物體的3D信息。不過， 由於單線束激光雷達具有測量速度快、數據處理量少等特點， 多被應用於安全防護、地形測繪等領域。
多線束激光雷達掃描一次可產生多條掃描線，目前市場上多線束產品包括4線束、8線束、16線束、32線束、64線束等，其細分可分為2.5D激光雷達及3D激光雷達。2.5D激光雷達與3D激光雷達最大的區別在於激光雷達垂直視野的範圍，前者垂直視野範圍一般不超過10°，而後者可達到30°甚至40°以上，這也就導致兩者對於激光雷達在汽車上的安裝位置要求有所不同。
Velodyne激光雷達
Velodyne是車用激光雷達的行業先導，公司成立於1983年，以頭戴式耳機、低音音箱以及3D激光雷達為主要業務。近年來，Velodyne的3D激光雷達業務發展迅猛，谷歌在其最早的自動駕駛原型汽車中所使用的LiDAR傳感器就是由該公司開發的，其產品的測量精度在全行業領域內處於標杆地位，性能優越。Velodyne的3D激光雷達產品種類豐富，包括16線束、32線束及64線束等，其中還有專門為智能駕駛汽車設計的Ultra Puck激光雷達。
在2016年1月的美國CES消費電子展上，Velodyne發佈了其第一款汽車專用的3D激光雷達混合固態超級冰球(Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto)，這款產品為32線束激光雷達，體積小巧、便於汽車安裝攜帶，同時價格低廉，未來在大規模量產的情況下，其目標價格可降至500美元，性價比較高。但這款激光雷達目前的版本只是車企測試版，而非最終供貨版本，正式量產版本要到2018年才能面世。
Ultra Puck不僅在外形及價格成本上有較大突破，在專業技術上也有所改進。Velodyne對該款產品激光發射裝置設置了2微秒時差，即32個激光發射器並非同時發射激光，而是以2微秒的時間間隔按順序發射激光，這種設置可防止高發射率物體使激光雷達致盲，產品的性能得到提升。
Quanergy全固態激光雷達
2012年底，以3D激光雷達傳感器為主要產品的Quanergy公司在硅谷成立。2014年9月，Quanergy和奔馳達成戰略合作，為奔馳研發車內傳感系統和無人車。2014年10月，該公司獲得了3000萬美元的A輪融資。2015年10月，Quanergy公司宣佈與Delphi公司合作，為無人駕駛汽車開發一種新型的激光雷達系統，每臺單價低於1000美元。目前，Quanergy共推出了兩款3D激光雷達產品，一款是安裝在奔馳智能駕駛測試車上的TheMarkVIII，另一款就是第一款專為智能駕駛汽車設計的全固態激光雷達S3。
S3全固態激光雷達基於相控陣技術代替了機械激光雷達的外部旋轉部件，大幅度縮小了產品體積，便於在汽車上安裝且不佔據過多空間。同時，約250美元的價格也易於讓市場更接受。但是，由於其使用的有關電子部件不能像機械旋轉部件一樣360°旋轉，只能探測前方不超過180°的視角範圍，因此一輛智能汽車一般至少需要4至6個S3激光雷達。
實際上，該款全固態激光雷達在測量精度、水平視野等參數特性上還有待進一步提升。S3激光雷達是Quanergy公司與Delphi公司合作後所推出的中間產品，並非最終供貨產品。雖然該產品暫時只是作為研究成果存在，並未上市推廣，但其全固態技術突破對於車用激光雷達的發展卻有著重大的意義。
綜上所述、無論是Velodyne Ultra Puck提供的“混合固態”激光雷達還是Quanergy S3基於光學相控陣列的全“固態”激光雷達，都預示著激光雷達的固態化、小型化、低成本化是大勢所趨。有了這樣低成本高精度的激光雷達，我們又向無人駕駛的量產邁出了一大步。
作者：汽車前沿