什么是激光雷达技术？
传统的雷达是微波和毫米波波段的电磁波为载波的雷达。激光雷达以激光作为载波.可以用振幅、频率、相位和振幅来搭载信息，作为信息载体。
激光雷达利用激光光波来完成上述任务。可以采用非相干的能量接收方式，这主要是一脉冲计数为基础的测距雷达。还可以采用相干接收方式接收信号，通过后置信号处理实现探测。激光雷达和微波雷达并无本质区别。
激光雷达由发射，接收和后置信号处理三部分和使此三部分协调工作的机构组成。激光光速发散角小，能量集中，探测灵敏度和分辨率高。多普勒频移大，可以探测从低速到高速的目标。天线和系统的尺寸可以做得很小。利用不同分子对特定波长的激光吸收、散射或荧光特性，可以探测不同的物质成分，这是激光雷达独有的特性。
激光雷达的种类
Velodyne开发的360°旋转式激光雷达是最早应用在自动驾驶汽车上的激光雷达类型。它的特点是呈圆柱（锥）形，需要顶在车辆较高的位置。而在刚刚过去的上海车展上，我们见到了很多封闭在一个平面内的激光雷达，而小鹏P5、极狐阿尔派S等车辆也并未将激光雷达装配在车顶位置，因为这些激光雷达原理略有不同，目前（准）量产车型上搭载的多数是混合固态激光雷达。
机械式激光雷达、混合固态激光雷达、纯固态激光雷达是按照激光雷达的结构进行的分类，不过分类的依据并不止于此。激光雷达主要包括四大要素：测距原理、光束操作方式、光源、探测器，据此可以将同一个激光雷达归类到不同的分类中。接下来我们举几个目前常说的几种分类：
按结构分类
机械式激光雷达
机械式激光雷达是最早应用于自动驾驶的激光雷达类型，以Velodyne推出的几款产品最为知名。其特点是激光发生器竖直排列并可以360°旋转，通过旋转对四周环境进行全面的扫描。
机械式激光雷达最大的优点是可以通过物理旋转进行3D扫描，对周遭环境进行全面的覆盖形成点云。
而缺点也很明显，一个是高频的转动和复杂的机械结构致使其平均的失效时间仅1000-3000小时，难以达到车规级设备最低13000小时的要求。
另一个问题是机械式激光雷达需要布置在车身最高点避免遮挡，对车辆造型造成很大的影响，凸起的雷达也较容易受损。
而在车顶布置激光雷达及其他设备以及加强结构，对车辆重心也容易带来影响。2017年，Uber一辆自动驾驶测试车在自动驾驶状态与对向车辆发生碰撞导致侧翻，被认为与车顶过中的设备带来的重心提高有关。
另外，机械式激光雷达复杂的结构也不易控制成本，高昂的售价也是影响其广泛装备量产车型的一大因素。目前尚没有达到车规并搭载在（准）量产车型的经销商激光雷达问世。
纯固态激光雷达
针对车规级设备需要在连续振动、高低温、高湿高盐等环境下连续工作的特点，固态激光雷达成为了较为可行的发展方向。相比机械式激光雷达，固态激光雷达仅面向一个方向一定角度进行扫描，覆盖范围有所限制。但取消了复杂高频转动的机械结构，耐久性得到了巨大的提升，体积也可以大幅缩小。纯固态激光雷达主要包括OPA光学相控阵和Flash闪光激光雷达两种。
1）OPA光学相控阵
喜欢军事的朋友应该都听过军机、军舰上搭载的相控阵雷达，而OPA光学相控阵激光雷达的原理与之相似。
相控阵雷达发射的是电磁波，同样也是波的一种，波与波之间会产生干涉现象。通过控制相控阵雷达平面阵列各个阵元的电流相位，利用相位差可以让不同的位置的波源会产生干涉，从而指向特定的方向。往复控制相位差便可以实现扫描的效果。
我们知道光和电磁波一样也表现出波的特性，因此同样可以利用相位差控制干涉让激光“转向”特定的角度，往复控制实现扫描效果。
OPA光学相控阵激光雷达发射机采用纯固态器件，没有任何需要活动的机械结构，因此在耐久度上表现更出众。
但是，OPA激光雷达要求阵列单元尺寸必须不大于半个波长，因此每个器件尺寸仅500nm左右，对材料和工艺的要求都极为苛刻，因此成本也相应的居高不下，目前也很少有专注开发OPA激光雷达的品牌。
2）Flash闪光
Flash闪光激光雷达原理完全不同，它不是通过扫描的方式，而是在短时间内直接向前方发射出一大片覆盖探测区域的激光，通过高度灵敏的接收器实现对环境周围图像的绘制。Flash激光雷达的原理类似于拍照，但最终生成的数据包含了深度等3D数据。
由于结构简单，Flash闪光激光雷达是目前纯固态激光雷达最主流的技术方案。
但是由于短时间内发射大面积的激光，因此在探测精度和探测距离上会受到较大的影响，主要用于较低速的无人驾驶车辆，例如无人外卖车、无人物流车等，对探测距离要求较低的自动驾驶解决方案中。代表品牌包括Ibeo、大陆、Ouster、法雷奥等。
混合固态激光雷达
混合固态激光雷达是前两者的折中方案，相较机械式激光雷达，混合固态激光雷达也只扫描前方一定角度内的范围，而相比纯固态激光雷达，混合固态激光雷达也有一些较小的活动部件。不过混合固态激光雷达在成本、体积等方面更容易得到控制。目前，混合固态激光雷达也有多种解决方案，主要包括MEMS振镜、转镜、棱角等。
1）MEMS微振镜
MEMS微振镜是通过控制微小的镜面平动和扭转往复运动，将激光管反射到不同的角度完成扫描，激光发生器本身固定不动。对于反射的微振镜也有静电驱动、电磁驱动、电热驱动、压电驱动等多种不同的控制方案。
由于取消了马达、多棱镜等较为笨重的机械运动设备，毫米级尺寸的微振镜大大减少了激光雷达的尺寸，同时也提高了可靠性。而可以精确控制偏转角度的微振镜的引入可以减少减少激光器和探测器数量，通过控制扫描路径达到等效机械式更多线束激光雷达的覆盖区域和点云密度，极大地降低成本。
也正因此，MEMS微振镜激光雷达会出现信噪比低，和有效距离短等问题。增大镜面尺寸可以有效增加MEMS激光雷达的精度，但最大偏转角度也会因此受限，FOV视场角会更加受限。
目前，MEMS微振镜激光雷达的代表品牌包括Innoviz、速腾聚创、先锋等等。
2）转镜
与MEMS微振镜平动和扭转的形式不同，转镜是反射镜面围绕圆心不断旋转。转镜在功耗、散热等方面有着更大优势。法雷奥推出的全球首款车规级激光雷达就采用了转镜形式。
在转镜方案中，也存在一面扫描镜（一维转镜）和一纵一横两面扫描镜（二维转镜）两种技术路线。一维转镜线束与激光发生器数量一致，而二维转镜可以实现等效更多的线束，在集成难度和成本控制上存在优势。
不过转镜方案与MEMS一样存在信噪比低，和有效距离短，FOV视场角受限等问题。目前转镜方案代表品牌包括华为、法雷奥、Ibeo、禾赛、Luminar、Innovusion等。
3）棱角
棱镜激光雷达也称为双楔形棱镜激光雷达，内部包括两个楔形棱镜，激光在通过第一个楔形棱镜后发生一次偏转，通过第二个楔形棱镜后再一次发生偏转。控制两面棱镜的相对转速便可以控制激光束的扫描形态。
与前面提到的扫描形式不同，棱镜激光雷达累积的扫描图案形状状若菊花，而并非一行一列的点云状态。这样的好处是只要相对速度控制得当，在同一位置长时间扫描几乎可以覆盖整个区域。
不过对于高速移动的汽车来说，显然不存在长时间扫描的情况，因此也存在中心区域点云密集。两侧点云相对稀疏的情况。因此采用棱镜激光雷达的小鹏P5选择在车头两侧分别配备一枚激光雷达，保证车头前方区域有密集的点云覆盖。
相比MEMS微振镜和转镜方案，棱镜激光雷达可以通过增加激光线束和功率实现更高的精度和更远的探测距离，不过机械结构也相对更加复杂，体积让前两者更难以控制，存在轴承或衬套的磨损等风险。目前发力棱镜激光雷达的主要有大疆旗下的Livox览沃，大疆凭借无人机积累了精密电机制造技术，有信心克服棱镜轴承或衬套寿命的难题。
按波长分类
前文已经提到，激光是一种单一颜色、单一波长的光，根据发生器的不同可以产生紫外线（10-400nm）到可见光（390-780nm）到红外线（760-1000000nm）波段内的不同激光，相应的用途也各不相同。
由于要避免可见光对人眼的伤害，激光雷达选用的激光波长一般不低于850nm。而目前主流的激光雷达主要有905nm和1550nm两种波长。
905nm
由于905nm激光雷达接收器可以直接选用价格较低的硅材质，因此成本也更加可控，905nm激光雷达成为了当下最主流的激光雷达所选用的波长。
不过人眼可识别的可见光波长处在390-780nm，而400-1400nm波段内激光都可以穿过玻璃体，聚焦在视网膜上，而不会被晶状体和角膜吸收，人眼视网膜温度上升10℃就会造成感光细胞损伤。因此905nm激光雷达为了避免对人眼造成伤害，发射功率需先在对人无害的范围内。
正因如此，905nm激光的探测距离也会受到限制。
1550nm
相比905nm激光，1550nm激光会被人眼晶状体和角膜吸收，不会对视网膜产生伤害，因此1550nm激光雷达可以发射更大功率，探测距离也可以做到更远。
但是1550nm激光雷达无法采用常规的硅吸收，而需要用到更加昂贵的铟镓砷（InGaAs）材质，因此在价格上较905nm激光雷达会贵出很多。
其他分类
除了以上提到的分类，根据测距原理的不同，激光雷达还可以分为飞行时间（dTOF）激光雷达和相位偏移（iTOF）激光雷达，飞行时间（dTOF）激光雷达采用非连续的脉冲激光，根据发射和接收的时间差直接算出距离，正式本文开头提到的原理，也是目前车载激光雷达最常用的测距原理。而相位偏移（iTOF）激光雷达采用的发射特定频率的调制的激光，通过计算相位差间接计算出距离。dTOF理论上其精度不随距离增加而下降、抗干扰强、功耗较低，但工艺相对复杂；iTOF精度偏低、抗干扰性较弱、功耗较大，但工艺相对简单。
从光源分类，常见的激光雷达包括边缘发射激光器、垂直面激光发射器、光线激光发生器等等。
另外，机械式激光雷达也经常提及光源线束，即有多少组发射和接收器，线束越多形成的点云越密集，探测精度也越高。不过，除了一维转镜，二维转镜和MEMS微振镜激光雷达可以进行左右上下扫描，而棱镜激光雷达会在中心区域重复多次扫描，厂家一般会发布区域内等效线束数据，而非发射和接收器数量。
此外，根据激光雷达四大要素：测距原理、光束操作方式、光源、探测器的不同还可以有更多的分类依据，这里就不再一一列举。
激光雷达产业链蓬勃发展，车企投资整机厂实现强绑定
激光雷达产业链蓬勃发展，L3/L4 功能落地实现量产上车。随着汽车智能化加速发展，激光雷达重要性凸显，产业链蓬勃发展。2020 年海外激光雷达企业密集上市，Velodyne、Luminar 于 2020 年实现借壳上市， Aeva、Ouster、Innoviz 于 2021 年通过 SPAC 上市，Quanergy 拟通 过 SPAC 上市，已接近达成合并上市的交易。国内有速腾聚创、禾赛科技、镭神智能等老牌初创企业，以及跨界入局的华为、大疆、百度等科技企业。2022 年我们将看到多款激光雷达产品量产上车，开启激光雷达量产元年，比如奔驰 S 搭载的法雷奥 SCALA 2，理想 L9 搭载的禾赛 AT128，蔚来 ET7/ET5 搭载的 Innovusion Falcon。
全球品牌充分竞争，国内厂商实力出众。法雷奥是全球最大的汽车零部件供应商之一，19 年从四家全球主流车企获得价值约 5 亿欧元订单， 其 SCALA 1是全球第一款量产上车的激光雷达，同时在 CES 2022 上 发布了第三代 SCALA 激光雷达，预计将于 24 年搭载在奔驰 s 上。法雷奥已经成为全球激光雷达市占率最高的整机厂，据 Yole 统计，2021 年全球车载激光雷达领域法雷奥市场占有率第一，达 28%。同时国内厂商竞争实力不俗，速腾聚创市占率达到 10%，仅次于法雷奥，与广汽埃安、威马等多家车企达成合作；速腾聚创、大疆、图达通、华为、 禾赛科技等 5 家国内厂商合计市场份额约 26%，在全球范围内占据较大市场。
下游多元布局加强合作，绑定车企提前锁定订单。激光雷达下游涉及智能驾驶、出行服务、机器人等多个领域。Innoviz、禾赛科技、速腾聚创等几乎所有的激光雷达整机厂积极布局，实现无人配送、机器人、 智能驾驶等多元化应用。同时，下游车企、 Tier 1 多通过投资激光雷达厂商实现高度捆绑，比如蔚来投资图达通，比亚迪投资速腾聚创，小鹏投资一径科技，安波福投资 Quanergy 等。通过投资绑定，一方面车企、 Tier 1 与激光雷达整机厂加强合作，通过共同研发弱化技术路线不确定性给车企带来的冲击，同时上下游合作可以更快推动激光雷达成本的下 行，提高激光雷达未来搭载的性价比；另一方面，激光雷达厂商通过绑定车企股东，提前锁定下游车企订单，也可以将更多精力放在激光雷达的技术研发上，从而在技术快速迭代的军备竞赛中获得更大的胜率。
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