激光雷达原理

前言:
  。本文介绍激光雷达原理

相关缩写：

缩写 全称 描述
dToF direct Time-of-Flight 直接测量光的飞行时间
iToF indirect Time-of-Flight 通过测量相位偏移来间接测量光的飞行时间
PLD 脉冲激光二极管 一种激光雷达发光元件
APD 雪崩光二极管 一种激光雷达感光元件
SPAD Single Photon Avalanche Diode 单光子雪崩二极管，一种激光雷达感光元件
SiPM Silicon photomultiplier 硅光电倍增管，一种激光雷达感光元件
CMOS Compound metal Oxided Semiconductor 复合金属氧化物半导体，一种摄像头感光元件
CCD Charge Coupled Device 电荷耦合器件，一种摄像头感光元件
CIS CMOS image sensor 互补金属氧化物半导体图像传感器
OPA Optical Phased Arrays 光学相控阵
FPA Focal Plane Array 焦平面阵列
WD Wavelength Disperion 波长色散
MEMS Micro-Electro-Mechanical System 微机电系统

1 核心原理

1.1 飞行时间法（Time of Flight, ToF）

  绝大多数激光雷达（特别是机械式和混合固态式）都基于飞行时间法（Time of Flight, ToF）原理。其核心原理如下：

  1. 发射激光脉冲：激光雷达系统通过激光器发射短暂的激光脉冲，通常在纳秒级别。
  2. 激光传播：激光脉冲以光速传播，遇到物体后被反射回传感器。
  3. 接收反射信号：传感器接收反射回来的激光信号，并记录下发射和接收的时间差。
  4. 距离计算：根据光速和时间差，计算出激光脉冲传播的距离，公式为：距离 = (光速 × 时间差) / 2。
  5. 点云生成：通过不断发射和接收激光脉冲，激光雷达系统能够生成一个包含大量点的三维点云，反映出周围环境的形状和结构。

  通俗来说就是光的“回声定位”。

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1.2 相位测距法（Phase Shift Measurement）

  通过测量发射电磁波与返回电磁波的频率变化解调出被测目标的距离及速度。

2 形成图像

  单次激光脉冲只能得到一个点的距离数据。为了感知整个环境，激光雷达需要“扫描”：

  1. 点云： 通过旋转的机械结构（或通过芯片控制光束方向），激光束快速扫描周围360度或特定范围内的空间。这些成千上万、带有距离（深度）信息的点汇聚在一起，就形成了“点云”。
  2. 3D建模： 这些点不仅包含距离，还包含角度信息（水平和垂直）。通过算法处理，点云可以呈现出周围环境的精确三维轮廓。

2.1 FOV

  FOV通常用 两个正交方向的角度值 表示。 FOV = 水平视场角（H-FOV） × 垂直视场角（V-FOV） 。

  • 水平视场角（Horizontal FOV, H-FOV） : 指激光雷达在 水平面（yaw轴）内能扫描的最大左右张角 。
    • 机械式/旋转式雷达：通常为 360°（全向覆盖）；
    • 前向混合固态雷达（如车载主雷达）：主流为 120°–135°（覆盖车道+相邻车道）；
    • 窄波束雷达（如长距远距雷达）：可低至 30°–60°（提升能量密度与测距）。
  • 垂直视场角（Vertical FOV, V-FOV） : 指在 竖直平面（pitch轴）内能覆盖的上下角度范围 。
    • 取决于激光线数（如16/32/128线）或扫描机制（MEMS振镜摆幅、Flash面阵高度）；
    • 主流前向雷达：20°–30°（例如 -10° 到 +15°，兼顾地面近处与远处车辆顶部）；
    • 补盲雷达（如角雷达）：可达 70°–90°（强调近场全覆盖，含车轮、路沿、蹲伏物体）。

3 扫描

3.1 扫描方式

  1. 机械式扫描（Mechanical Scanning）
  • 原理：通过电机驱动整个光学系统（如激光发射器、接收器、反射镜）旋转或摆动，实现360°水平视场（FOV）扫描。
  • 典型形式：
    • 旋转式（Rotating LiDAR） ：如Velodyne HDL-64E、VLP-16（“小萝卜”），顶部旋转模块实现水平360°，垂直方向靠多线阵列（如16/32/64线）覆盖俯仰角。
    • 振镜式（Galvanometer-based） ：使用高速振镜（二维MEMS或宏观振镜）偏转光束，可实现非均匀、高灵活性扫描（常用于测绘、工业检测）。
  • 优点：视场大、测距远、性能成熟；
  • 缺点：体积大、成本高、可靠性受限（运动部件易磨损）、难以车规级过振/冲击测试。
  1. 混合固态扫描（Hybrid Solid-State）
  • 原理：光学系统部分固定，仅扫描部件（如单个微振镜或棱镜）运动，整体无360°旋转。
  • 典型形式：
    • MEMS微振镜扫描 ：如InnovizOne、速腾聚创M1（采用单轴或双轴MEMS镜控制激光束方向，配合多线VCSEL光源，实现水平120°+垂直25° FOV）。
    • 棱镜扫描（Rotating Prism / Optical Phased Array辅助） ：如Quanergy早期设计、部分Ouster产品（利用旋转棱镜折射改变出射方向）。
  • 优点：比纯机械式更紧凑、可靠，成本与寿命改善；
  • 缺点：FOV通常小于360°，存在扫描盲区，MEMS镜面尺寸限制功率与视场角。
  1. 纯固态扫描（True Solid-State）
  • 原理：无任何运动部件，完全依靠电子方式控制光束方向。
  • 主要技术路线：
    • 光学相控阵（Optical Phased Array, OPA）：类似雷达相控阵，通过调节阵列中各发光单元的相位差实现波束偏转（如Aeva、Luminar部分方案、国内洛微科技）。
    • Flash LiDAR：瞬间面阵式发光（类似闪光灯），用SPAD或SiPM焦平面阵列一次性接收全视场回波（如大陆集团Scala 2后继方案、TriLumina、部分短距舱内LiDAR）。
    • 数字光处理（DLP）/LCOS等空间光调制器：较少见，用于特定定制化扫描模式。
  • 优点：高可靠性、长寿命、易集成、适合车规；
  • 缺点：Flash受限于功率密度与信噪比（测距短、分辨率低）；OPA面临工艺复杂、视场角窄、旁瓣抑制难等挑战。

  目前车轨主流方案使用的是混合固态激光雷达，比如速腾聚创（RoboSense M1/M2属于混合固态的MEMS激光雷达），车规主流正逐渐转向更稳健的纯固态路线，纯固态严格指代无任何宏观或微观机械运动的光束控制方式。

3.2 扫描轨迹

类型 描述 典型应用
线性扫描（Raster Scan） 光束逐行扫描（如电视扫描），形成规则网格点云 工业检测、机器人导航
螺旋扫描（Spiral Scan） 从中心向外螺旋发散扫描，提升中心区域点密度 自动驾驶近场补盲、AGV避障
随机扫描（Random/Adaptive Scan） 基于AI或场景反馈动态聚焦扫描重点区域（如行人、车辆） 智能感知融合、功耗优化系统
ROI扫描（Region of Interest） 仅对预设感兴趣区域高密度扫描，其余区域稀疏采样 车载前向主视、AR-HUD联动

4 器件

  激光雷达可以分为激光器、扫描部分、感光部分。

  • 激光器：点光源、线光源、面光源（Flash）；
  • 扫描部分：分为运动部件扫描、无运动部件扫描，如机械旋转、MEMS振镜、棱镜、OPA等；
  • 感光部分：APD、SPAD、SiPM、CMOS/CCD/CIS等。

4.1 激光器

  由于激光器发射的光线需要投射至整个FOV平面区域内，除了面光源可以直接发射整面光线外，点光源则需要做二维扫描覆盖整个FOV区域，线光源需要做一维扫描覆盖整个FOV区域。其中点光源根据光源发射的形式又可以分为EEL（Edge-Emitting Laser边发射激光器）和VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser垂直腔面发射激光器）两种，二者区别在于EEL激光平行于衬底表面发出（如图1），VCSEL激光垂直于衬底表面发出（如图2）。

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4.2 扫描部件

  扫描部件通常可以分为运动式扫描和非运动式扫描两种。

  • 运动部件扫描：
    • 机械式: 通过电机驱动整个光学系统（如激光发射器、接收器、反射镜）旋转或摆动，实现360°水平视场（FOV）扫描。缺点是体积大、成本高、可靠性受限（运动部件易磨损）、难以车规级过振/冲击测试。。
    • MEMS: 通过高速振动的二维运动微振镜代替传统的机械旋转装置，可以将点光源扫射到有限FOV区域内，采用此技术可以将振动折射部件做到芯片化，减小体积便于集成，同时降低成本便于批量化生产，不足之处在于振镜尺寸和材质对于光通量和激光功率有一定限制。

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  • MMT: 通过共轭光源和接收装置的震动实现光线在FOV内的扫描，无需折射镜属于Cepton独有的一种技术，其振动类似于扬声器发生腔的震动原理。
  • 转镜式: 使用转镜折射光线实现激光在FOV区域内的覆盖，通常与线光源配合使用，形成FOV面的覆盖，也可以与振镜组合使用，配合点光源形成FOV面的覆盖。

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  • 棱镜式: 利用激光雷达通过棱镜产生折射的原理，利用两块棱镜通过旋转实现激光线束的不同角度折射，从而覆盖FOV区域，DJI旗下的Livox部分激光雷达产品就使用了这一技术，特点是其成像点云成菊花状。

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  • 无运动部件扫描：
    • Flash: Flash激光雷达采用面光源泛光成像，其发射的光线会散布在整个视场内，因此不需要折射就可以覆盖FOV区域了，难点在于如何提升其功率密度从而提升探测精度和距离，目前通常使用VCSEL光源组成二维矩阵形成面光源。
    • OPA: 利用光的相干性质，通过人为控制相位差实现不同方向的光发射效果。
    • FPA: 焦平面阵列。
    • WD: Wavelength Dispersion（色散）。

4.3 感光部件

  激光的接收可以通俗的理解为，光子携带的能量传递给电子，电子摆脱束缚形成电流（光生载流子），而能够产生这种效应激光雷达接收器主要可以分为PIN、APD（雪崩二极管）、SPAD（单光子雪崩二极管）、SiPM（硅光电倍增管）几种，其本质都是各类型PN结。
  P（Positive）型半导体：带“空穴”（可理解为能容纳电子的空位）的半导体，通常为在纯硅中掺入微量3价元素（如铟B、铝ln）的混合物，由于铟或铝原子周围有3个价电子，与周围4价硅原子组成共价结合时缺少一个电子，形成一个相当于带正电的粒子“空穴”。
  N（Negative）型半导体：带“自由电子”，通常为在纯硅中掺入微量5价元素（如磷P、砷As或锑Sb）的混合物，由于硅有四个价电子，磷有五个价电子，因此磷的一个价电子就可以作为剩余电子自由移动（自由电子*）。

  感光芯片类型：

  • PIN: P-I-N 结构。P为P型半导体，N为N型半导体，I 为本征半导体。由于没有雪崩效应，其灵敏度较低。接收面积也小，温度稳定性不佳。由于其响应速度很快（可高达 10GHZ），结电容低，可用于近距离探测激光雷达。
  • APD （雪崩光电二极管）: 对以硅或锗为材料制成的光电二极管的PN结施加反向偏压，射入的光被PN结吸收后会形成光电流。加大反向偏压会产生“雪崩”（即光电流成倍地激增）的现象，形成电流增益效应，通过对电流进行处理进而生成激光雷达的可用信号，可用于激光雷达探测器。
  • SPAD （单光子雪崩二极管）: 顾名思义，可以对单个光子发生雪崩效应，因此有极高的探测敏感度和探测距离，对反射强度要求低，在明亮的阳光下也能工作，分辨率极佳，并且可以芯片化降低成本，是当前LiDAR探测器主要发展方向。
  • SiPM（ 硅光电倍增管）: 另一种材料的单光子雪崩二极管，具有极高的探测敏感度和探测距离，其与SPAD的区别在于SPAD是一个单像素盖革模式的探测器，探测器尺寸较小，而SiPM是由多个盖革模式的探测器同时信号输出，相对探测器尺寸较大。因此，在相同的分辨率要求下，SPAD阵列的面积更小，SiPM阵列的面积较大，但其优势在于在进行信号提取时，可以按照阈值的设置完成信号的提取。因此如果更加关注Lidar分辨率，SPAD是更好的选择，如果更加关注帧速和信号提取速度，SiPM是更好的选择。