在自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，激光雷達(dá)作為關(guān)鍵傳感器，對(duì)車(chē)輛準(zhǔn)確感知周?chē)h(huán)境起著舉足輕重的作用。它通過(guò)發(fā)射激光束并接收反射光，實(shí)時(shí)構(gòu)建周邊物體的三維位置信息，為車(chē)輛決策和控制提供精準(zhǔn)依據(jù)。當(dāng)下，市場(chǎng)上主流的激光雷達(dá)可分為機(jī)械式、半固態(tài)和全固態(tài)三種類(lèi)型，它們?cè)诩夹g(shù)原理、性能表現(xiàn)、成本及可靠性等方面存在顯著差異，各自適用于不同的自動(dòng)駕駛場(chǎng)景。

一、工作原理與技術(shù)特點(diǎn)

(一)機(jī)械式激光雷達(dá)

機(jī)械式激光雷達(dá)堪稱(chēng)激光雷達(dá)領(lǐng)域的 “元老”，是最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的架構(gòu)。其工作方式如同一個(gè)精密的旋轉(zhuǎn) “偵察兵”，主要依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架或包含多個(gè)反射棱鏡的旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，固定于支架上的多個(gè)激光發(fā)射器和接收器能夠 360 度水平掃描周?chē)h(huán)境，就像我們轉(zhuǎn)動(dòng)腦袋全方位觀察四周一樣。以 Velodyne 公司早期推出的 HDL-64E 為典型代表，該型號(hào)采用 64 線(xiàn)多發(fā)多收設(shè)計(jì)，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)掃描，能實(shí)時(shí)生成高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，無(wú)論是白天還是夜晚，都能精準(zhǔn)地檢測(cè)和分類(lèi)車(chē)輛周?chē)奈矬w，為自動(dòng)駕駛車(chē)輛提供極為詳細(xì)的環(huán)境信息。

(二)半固態(tài)激光雷達(dá)

半固態(tài)激光雷達(dá)則是在機(jī)械式基礎(chǔ)上進(jìn)行的一次 “改良進(jìn)化”，它對(duì)機(jī)械部件的依賴(lài)大幅減少。通常情況下，僅保留一個(gè)或多個(gè)小型掃描器，如轉(zhuǎn)鏡或 MEMS 微鏡，用于引導(dǎo)激光束在水平或垂直方向掃過(guò)一定角度區(qū)間，而接收模塊則通過(guò)固定的光學(xué)陣列完成回波信號(hào)采集。

轉(zhuǎn)鏡式半固態(tài)激光雷達(dá)一般采用單軸或雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)鏡，高速旋轉(zhuǎn)或擺動(dòng)的鏡面如同靈活的 “反光鏡手”，精準(zhǔn)控制激光發(fā)射方向。這種設(shè)計(jì)成本適中，量產(chǎn)難度相對(duì)較低，在市場(chǎng)上頗受歡迎。例如萬(wàn)集科技推出的 760 超薄車(chē)載激光雷達(dá)，采用轉(zhuǎn)鏡 + 多發(fā)多收解決方案，實(shí)現(xiàn)真 192 線(xiàn)掃描，在 10% 反射面的情況下探測(cè)距離可達(dá) 200 米，最遠(yuǎn)甚至可拓展至 300 米，水平視場(chǎng)可達(dá) 120°、垂直視場(chǎng) 25°，垂直分辨率 0.15°、水平分辨率 0.13°，機(jī)身厚度僅 24 - 30 毫米，兼具優(yōu)秀的點(diǎn)云質(zhì)量與車(chē)規(guī)可靠性，是高階輔助駕駛(ADAS)場(chǎng)景的得力助手。

MEMS 振鏡式半固態(tài)激光雷達(dá)運(yùn)用微機(jī)電系統(tǒng)(Micro - Electro - Mechanical Systems)技術(shù)，將微小的反射鏡集成在光刻工藝芯片表面。通過(guò)靜電驅(qū)動(dòng)信號(hào)，鏡面在微米級(jí)尺度內(nèi)快速振蕩，如同無(wú)數(shù)個(gè)微小的 “舞者” 精準(zhǔn)舞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光束在預(yù)定角度范圍內(nèi)掃過(guò)。相較于轉(zhuǎn)鏡方案，MEMS 振鏡結(jié)構(gòu)避免了大型機(jī)械零部件帶來(lái)的慣性與掃描速度限制，進(jìn)一步減小了雷達(dá)的厚度和整體體積，更容易與車(chē)身設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一體化集成。速騰聚創(chuàng)(RoboSense)的 M1 系列便是基于 MEMS 振鏡實(shí)現(xiàn)較寬的水平與垂直視場(chǎng)，具備較高的點(diǎn)云密度與穩(wěn)定性，已成功獲得多家汽車(chē)廠商訂單，展現(xiàn)出良好的市場(chǎng)前景。

(三)全固態(tài)激光雷達(dá)

全固態(tài)激光雷達(dá)被視為行業(yè)的 “終極形態(tài)”，它徹底摒棄了機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，如同一位無(wú)需肢體動(dòng)作就能感知世界的 “智者”。主要分為相控陣(Optical Phased Array，OPA)和 Flash(泛光面陣式)兩種技術(shù)路線(xiàn)。

OPA 型激光雷達(dá)通過(guò)控制多個(gè)激光發(fā)射單元組成的發(fā)射陣列中各個(gè)單元的相位差，來(lái)改變激光光束的發(fā)射角度，就像指揮一個(gè)精密的 “光學(xué)樂(lè)隊(duì)”，每個(gè)樂(lè)器(發(fā)射單元)通過(guò)精準(zhǔn)的節(jié)奏(相位差)配合，實(shí)現(xiàn)激光束的靈活指向。由于無(wú)需任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)，它具有最優(yōu)的可靠性與潛在最小的體積，理論上可大幅降低量產(chǎn)成本。然而，其核心挑戰(zhàn)在于相控陣芯片的制造良率、相位調(diào)制精度以及大規(guī)模集成的光電器件封裝復(fù)雜度，目前這些技術(shù)難題仍在攻克過(guò)程中。

Flash 型全固態(tài)激光雷達(dá)采用類(lèi)似于相機(jī)閃光燈的原理，一次性向整個(gè)探測(cè)場(chǎng)景發(fā)射激光脈沖，然后通過(guò)大面積接收陣列同步采集反射回波，如同給整個(gè)場(chǎng)景瞬間拍了一張 “深度照片”，以獲得整個(gè)場(chǎng)景的深度圖。與 OPA 技術(shù)相比，F(xiàn)lash 架構(gòu)無(wú)需依賴(lài)相位調(diào)制器或復(fù)雜的微納級(jí)光學(xué)腔，僅需在光學(xué)路徑中安排一些光學(xué)擴(kuò)束與均勻化組件以及大規(guī)模陣列光電接收器即可實(shí)現(xiàn)一瞬間的大視場(chǎng)深度采集。在短距離場(chǎng)景，如智能泊車(chē)、無(wú)人配送機(jī)器人等低速應(yīng)用中表現(xiàn)出色，能夠?qū)崿F(xiàn)毫秒級(jí)甚至亞毫秒級(jí)的全場(chǎng)景深度成像。但對(duì)于高速行駛的汽車(chē)場(chǎng)景而言，目前存在信噪比與接收靈敏度不足的問(wèn)題，并且在長(zhǎng)距離探測(cè)時(shí)，對(duì)大功率激光發(fā)射與高密度接收陣列的雙重需求，使得 Flash 型全固態(tài)激光雷達(dá)在量產(chǎn)成本、熱管理設(shè)計(jì)和光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面仍需進(jìn)一步突破。

二、性能、成本與可靠性對(duì)比

(一)性能指標(biāo)

從探測(cè)距離來(lái)看，機(jī)械式激光雷達(dá)優(yōu)勢(shì)明顯，通常能夠?qū)?10% 反射率目標(biāo)實(shí)現(xiàn)超過(guò) 200 米甚至更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，這使其在遠(yuǎn)距離感知復(fù)雜環(huán)境方面表現(xiàn)卓越，能夠?yàn)?L4 及以上級(jí)自動(dòng)駕駛提供充足的決策時(shí)間。半固態(tài)激光雷達(dá)探測(cè)距離一般集中在 100 - 200 米之間，部分轉(zhuǎn)鏡設(shè)計(jì)可突破 200 米，雖稍遜于機(jī)械式，但在大多數(shù)自動(dòng)駕駛場(chǎng)景中也能滿(mǎn)足需求。全固態(tài)激光雷達(dá)目前在探測(cè)距離上相對(duì)較弱，尤其是 Flash 型在長(zhǎng)距離探測(cè)面臨挑戰(zhàn)，不過(guò)隨著技術(shù)發(fā)展，OPA 型有望實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)探測(cè)距離。

點(diǎn)云分辨率方面，機(jī)械式激光雷達(dá)憑借其成熟的技術(shù)和穩(wěn)定的掃描方式，長(zhǎng)期保持領(lǐng)先，能夠提供極為密集和精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為感知算法提供豐富信息。半固態(tài)激光雷達(dá)中，MEMS 振鏡式在掃描精度上有較大優(yōu)勢(shì)，轉(zhuǎn)鏡式也能提供較高分辨率。全固態(tài)激光雷達(dá)在分辨率上正在不斷提升，但目前整體與機(jī)械式相比仍有一定差距。

視場(chǎng)范圍上，機(jī)械式激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)水平 360 度、垂直自上而下定角度均衡分布的全方位視場(chǎng)，為車(chē)輛提供無(wú)死角的環(huán)境信息。半固態(tài)激光雷達(dá)無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的 360 度環(huán)視，通常需要與其他傳感器深度融合補(bǔ)盲。全固態(tài)激光雷達(dá)視場(chǎng)范圍也相對(duì)有限，同樣需要多傳感器協(xié)作。

(二)成本分析

機(jī)械式激光雷達(dá)由于沿用傳統(tǒng) “轉(zhuǎn)盤(pán) + 激光發(fā)射器 + 接收陣列” 三大模塊結(jié)構(gòu)，技術(shù)成熟但成本高昂，單價(jià)往往達(dá)到數(shù)萬(wàn)美金級(jí)別。這是因?yàn)槠鋸?fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和高精度的制造工藝，使得生產(chǎn)成本居高不下，嚴(yán)重限制了其在量產(chǎn)車(chē)型中的大規(guī)模應(yīng)用。

半固態(tài)激光雷達(dá)通過(guò)將機(jī)械運(yùn)動(dòng)限制在更小的部件上，實(shí)現(xiàn)掃描器與靶材的分離，大幅降低了成本。隨著技術(shù)的成熟和量產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，其成本優(yōu)勢(shì)將更加明顯，目前市場(chǎng)上主流的半固態(tài)激光雷達(dá)單價(jià)已可控制在較低水平，更符合車(chē)企的成本考量。

全固態(tài)激光雷達(dá)理論上具有最低的成本潛力，一旦量產(chǎn)良率提升，其單價(jià)有望被控制在幾百美元甚至更低。但目前受限于技術(shù)瓶頸，其研發(fā)和生產(chǎn)成本仍然較高，距離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的成本目標(biāo)還有一定距離。

(三)可靠性與壽命

機(jī)械式激光雷達(dá)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，容易因磨損、振動(dòng)等因素影響性能，導(dǎo)致壽命受限，一般需要定期維護(hù)和更換部件，這在一定程度上增加了使用成本和風(fēng)險(xiǎn)。

半固態(tài)激光雷達(dá)雖然減少了機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，但仍存在部分小型機(jī)械掃描部件，如轉(zhuǎn)鏡或 MEMS 微鏡，不過(guò)相比機(jī)械式，其可靠性已有顯著提升，壽命也相應(yīng)延長(zhǎng)，并且更容易通過(guò)車(chē)規(guī)級(jí)認(rèn)證，滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)對(duì)產(chǎn)品可靠性和耐久性的嚴(yán)格要求。

全固態(tài)激光雷達(dá)由于完全取消了機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，從根本上消除了機(jī)械磨損帶來(lái)的問(wèn)題，具有最高的可靠性和最長(zhǎng)的壽命，理論上可實(shí)現(xiàn)數(shù)萬(wàn)小時(shí)的無(wú)故障運(yùn)行，這對(duì)于汽車(chē)這樣需要長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，具有極大的吸引力，是未來(lái)車(chē)規(guī)級(jí)激光雷達(dá)的發(fā)展方向。

三、不同類(lèi)型激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛中的應(yīng)用適配性

(一)機(jī)械式激光雷達(dá)與高階自動(dòng)駕駛

對(duì)于 L4 及 L5 超高階自動(dòng)駕駛，車(chē)輛在大多數(shù)場(chǎng)景下無(wú)需人工干預(yù)，對(duì)感知系統(tǒng)的性能和冗余度要求近乎苛刻。機(jī)械式激光雷達(dá)憑借其成熟穩(wěn)定的性能，尤其是出色的探測(cè)距離和高分辨率點(diǎn)云數(shù)據(jù)，一度成為 L4/L5 級(jí)測(cè)試車(chē)的首選。然而，其高昂的成本和較差的車(chē)規(guī)適配性(體積大、壽命短等)，使得在量產(chǎn)應(yīng)用中困難重重，目前主要應(yīng)用于一些對(duì)成本不太敏感的特定場(chǎng)景測(cè)試和高端科研項(xiàng)目中。

(二)半固態(tài)激光雷達(dá)與中低階自動(dòng)駕駛

對(duì)于 L3 及以下級(jí)別的自動(dòng)駕駛，包括 L2 高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) ADAS、L2 + 和 L3 半自動(dòng)駕駛，半固態(tài)激光雷達(dá)在性能與成本之間找到了較好的平衡，成為當(dāng)下更合理的選擇。以市場(chǎng)主流的轉(zhuǎn)鏡式半固態(tài)產(chǎn)品為例，其能夠提供足夠的探測(cè)距離(一般在 150 - 200 米范圍內(nèi)，10% 反射率目標(biāo)可達(dá)到此距離)以及較高的垂直線(xiàn)數(shù)(64 - 128 線(xiàn))，配合 360 度或局部多傳感器拼接，可滿(mǎn)足城市道路或高速公路場(chǎng)景下的車(chē)道保持、自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)等功能需求。當(dāng)半固態(tài)激光雷達(dá)與攝像頭、毫米波雷達(dá)、毫米級(jí)高精度地圖和高性能域控制器配合，可以構(gòu)建更具冗余安全性的多模態(tài)感知系統(tǒng)，為 L3 級(jí)自動(dòng)駕駛提供有力支持，目前已廣泛應(yīng)用于多款量產(chǎn)車(chē)型。

(三)全固態(tài)激光雷達(dá)的未來(lái)潛力

全固態(tài)激光雷達(dá)雖目前技術(shù)尚在發(fā)展階段，但憑借其體積小、可靠性高、成本潛力低等優(yōu)勢(shì)，被視為未來(lái)自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)的主流方向。在未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷突破，尤其是 OPA 型在制造良率、相位調(diào)制精度等方面的提升，以及 Flash 型在探測(cè)距離、信噪比等問(wèn)題的解決，全固態(tài)激光雷達(dá)有望在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，逐步從目前適用于短距離低速場(chǎng)景，拓展到中長(zhǎng)距離高速場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)真正的車(chē)規(guī)級(jí)大規(guī)模應(yīng)用，推動(dòng)自動(dòng)駕駛技術(shù)向更高水平發(fā)展。

綜上所述，機(jī)械、半固態(tài)、全固態(tài)激光雷達(dá)各有優(yōu)劣，在自動(dòng)駕駛發(fā)展的不同階段和不同場(chǎng)景中都扮演著重要角色。當(dāng)下，半固態(tài)激光雷達(dá)憑借其綜合優(yōu)勢(shì)成為量產(chǎn)車(chē)型的主流選擇，而全固態(tài)激光雷達(dá)則承載著未來(lái)的希望，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，將為自動(dòng)駕駛帶來(lái)更廣闊的發(fā)展空間。