还是对激光雷达一知半解？赶紧来看看这篇超详细解读转自：新智驾"

转自：新智驾

2007 年 11 月 3 日，6 辆汽车创造了历史，它们成功地在模拟城市环境的测试场完成了自动驾驶测试，全程都没有违反加州的交通法规。值得一提的是，这 6 辆车里，有 5 辆都搭载了新型激光雷达传感器，而提供该设备的就是 Velodyne，不过当年的它可是一家音频设备制造商。

10 年之后，Velodyne 还在延续着传奇，它的产品依然是自动驾驶汽车的核心部件。不过有一点没改变的是——激光雷达的价格，它只是从非常贵变成了相当贵，离平民化的目标还有很远一段距离。

生不逢时的激光雷达急先锋

*Velodyne 的 64 线激光雷达为自动驾驶汽车带来了曙光

上世纪 60 年代起，科学家们就开始用激光进行测距。当时麻省理工学院的一个团队就用激光测出了地球与月球之间的距离。不过，说到车载激光雷达技术，就不得不提 Velodyne 的发明家 David Hall。

21 世纪初的 Hall 是 Velodyne 公司的 CEO（也是创始人），当时这家公司主营音频设备。但私底下， Hall 是个不折不扣的机器人发烧友。

“我们的团队当时登上了 BattleBots 和 Robot Wars 比赛（均为机器人比赛）的舞台，借口是替 Velodyne 的音响做宣传。”Hall 在接受《连线》杂志的采访时说。

*SICK LMS-291 的点云图（右）和 Velodyne 激光雷达的对比（左）

为了争取胜利，Hall 兄弟俩直接开发了新型激光雷达，他们将一台 64 线激光发射器安装在可以 360 度旋转的万向节上。这样一来，整套系统就能采集到真正的 3D 图像。

可惜的是，他们的赛车未能赢得当年的比赛，不过 Hall 兄弟俩开发的这套激光雷达却吸引了其它团队的注意力。在第三和第四届（最后一届）比赛中，Hall 成了激光雷达供应商。最后一届比赛中，6 辆完赛车辆中有 5 辆都用了 Velodyne 的激光雷达。

为什么对自动驾驶汽车来说激光雷达至关重要？

*Uber 测试车用的还是旋转式激光雷达

在那之后，Velodyne 顺理成章升级为激光雷达市场的统治者。谷歌搜罗了大量当年挑战赛的参与者创建自动驾驶部门后，就用上了 Velodyne 的激光雷达，其他参与自动驾驶开发的公司也无一例外成了 Velodyne 产品的买主。

当然，激光雷达也不是完美的，它最大的槽点就是昂贵的价格。当时用在赛车上的 Velodyne 64 线激光雷达价格高达 7.5 万美元。直到近一两年，它则开发出了体积更小、价格更便宜的 32 线和 16 线产品，不过最低价格也得 7999 美元。去年年末，Velodyne 还推出了全新 128 线激光雷达，虽然性能异常强悍，但 Hall 也对这款激光雷达的价格三缄其口。

去年，Velodyne 宣称拿到了福特的大单，它要开发一款新型固态激光雷达，一旦进入大规模量产，价格能拉低到 500 美元以下。不过，Velodyne 并未公布福特详细的采购量和采购价格，至于这款固态激光雷达何时进入量产，现在还是未知数。

现在的 Velodyne 可一步也不能停歇，因为激光雷达市场的竞争实在太激烈了。

固态激光雷达的崛起

对汽车制造商来说，零部件当然越耐用越好，因此带有各种活动部件的激光雷达肯定在可靠性和价格上无法做到尽善尽美，比如 Velodyne 的旋转式激光雷达。

鉴于这种原因，很多专家相信，激光雷达想进军主流市场就必须切换成固态设计，不过这就需要新的装置将激光发射到不同方向以覆盖车辆周边环境。

第二种激光雷达采用相控阵设计，它搭载的一排发射器可以通过调整信号的相对相位来改变激光束的发射方向。如果发射器同步发射激光，激光则会射向同一个方向。不过，如果左侧发射器相位处在右侧之后，激光则会发射向左边，向右发射同理。

*相控阵 LiDAR 工作原理

“像素越大，你要处理的信号就越多。将海量像素塞进光电探测器，必然会带来各种干扰，其结果就是精度的下降。”卡耐基梅隆大学机器人专家 Sanjiv Singh 解释。

探测距离是车载激光雷达的一大局限

简而言之，Flash LiDAR 没有“远视眼”，在实际使用中不适合远程探测，而业内专家坚信，全自动驾驶汽车上搭载的激光雷达至少一眼就得看到 200 到 300 米外的物体。

现任福特公司高管的 Jim McBride 2005 年时也组织了一支队伍参加 DARPA 的自动驾驶大赛，在接受采访时他解释了专家们做出这一判断的原因。

McBride 先假设了一个场景，即自动驾驶汽车想在进入高速时汇入车流。“当时的车流至少有 100 km/h，也就是说车每秒就能跑 30 米。这样的情况下，大多数车至少要花 6-10 秒钟才能提升至 100 km/h，因此它们必须能在这一时间里看到自己周边车辆的情况，即离自己 180-300 米的车辆。”

对任何激光雷达系统来说，向 300 米外发射激光并探测其反射信号并不容易。各大制造商也使出吃奶的劲找了一些增加激光雷达探测距离的方法。

如今，大多数激光雷达传感器的激光都处在近红外范围内，一般厂家都会选择 905 纳米这一波长。不过，它比较接近可见光的波长（红光波长约为 780 纳米），而激光会损害人眼，烧坏视网膜上的光敏探测细胞，因此 905 纳米激光的功率受到严格限制。

为了避免伤害人眼，研发人员决定换用另一种波长的激光。举例来说，Luminar 公司就开发了使用 1550 纳米激光的激光雷达。由于它大大超越了可见光的范围，因此对人眼来说要安全得多。

解决了安全问题，1550 纳米激光雷达的功率就能大幅提升。相关数据显示，研究人员将激光雷达功率提升了 40 倍，它探测远程激光信号的难度低多了。不过有得必有失，1550 纳米激光和探测器很贵，因为它们制造时需要更多特殊材料。

除了提升激光功率，我们还能通过增强探测器敏感度来扩展激光雷达探测距离。被福特高价收归门下的 Argo AI 去年收购了 Princeton Lightwave——一家用高敏感度探测器（单光子雪崩二极管）制作激光雷达的公司。这种探测器相当敏感，适合频率中一个光子就能将其激活。

同时，这些高度敏感的探测器也不新鲜，在军事和勘探领域已经使用多年了。去年，Princeton 就表示要将该技术引入汽车市场。

飞行时间（TOF）VS 连续波调频

在开发新一代激光雷达时，厂商们还面临第三种设计上的新选择，即如何测算时间和距离。大多数激光雷达直截了当用了飞行时间的方法。它会发射一条非常短的脉冲，然后用超级精确的计时器来算出脉冲一去一回到底花了多少时间。

CWFM 还有个大优点，即可以将探测物体的距离和速度一网打尽。对此，Suni 解释称：“如果你的传感器和路上的车辆间发生了相对运动，那么信号就会发生多普勒频移。如果你只测量一个频率，就会出问题。”与其相比，CWFM 激光雷达会对不断增长和不断降低的两个频率进行测定。通过计算，距离和速度问题就能迎刃而解。

眼下，在进行 CWFM 激光雷达技术攻关的是一家名为 Aeda 的新创公司，《纽约时报》还专门进行了报道。此外，上述提到的 Strobe 可能也在进行类似研发。

低价激光雷达在路上了？

*磷化铟晶圆

激光雷达到底如何设计，恐怕各家公司已经尝试了各种可能的方案，但就连专家也不敢断言到底哪种设计能笑到最后。不过，所有人都信心满满地表示，未来几年激光雷达将迎来大降价。

历史无数次的告诉我们，原本高不可攀的产品，最终都会飞入寻常百姓家，前提是进行大规模量产。

Lidow 认为激光雷达会重复当年 ABS 的普及路线。“1979 年时，我就在通用开发 ABS。”Lidow 说。“当时，这套系统装下来要 8000 美元，对消费市场来说实在太贵。不过，航空公司买得起。随着 ABS 系统价格不断下滑，连大卡车也享受到了这项新技术。别忘了，卡车可是有 18 个轮子。

几十年后的今天，一套 ABS 硬件价格才 20 美元。

“我亲眼见证了这场技术进化。”Lidow 补充道。“汽车公司恨不得省下一切不必要的成本，而激光雷达系统并不比当年的 ABS 系统复杂。”

除了量产上的挑战，固态激光雷达还有一个巨大的劣势，那就是它相当有限的视场。

福特的 McBride 表示，相控阵系统“最多只能看到 50 度的场景”，现在还没人能突破这一瓶颈，而 MEMS 的视场也只有 30 到 60 度。

这就意味着，想替代现在的顶置旋转激光雷达，至少要在车上安装 6 到 12 个固态激光雷达，固态产品的价格优势便会荡然无存。因此，现在就断言机械激光雷达将死还为时尚早。“一个旋转的圆盘可不贵，而且别忘了，车里会旋转的机械零部件也不少，它们使用数万公里也没什么问题。”Lidow 说。

不过，历史的车轮滚滚向前，虽然想拉低激光雷达售价需要工程师的不断努力，但这条路上并没有什么难以克服的困难，因此高品质激光雷达售价跌到 1000 甚至 100 美元都是有可能的。

这就意味着，自动驾驶汽车的售价最终能为普通消费者所接受。而在此之前，一台激光雷达 7.5 万美元的售价就足够让人望而却步了。

眼下，大量资本正在注入激光雷达行业，为的就是开发出性能更强，价格更低廉的激光雷达产品。虽然现在我们无法预测激光雷达廉价化的那一天到底何时到来，但可以想见的是，原本是“天之骄子”售价高高在上的激光雷达会随着时间的流逝变得越来越便宜，性能也会越来越好。