探讨机械式LiDAR技术优势和发展现状

我们先介绍机械式LiDAR技术，也就是最早的机械式LiDAR产品拉开了自动驾驶的序幕。

2012年5月，谷歌（Google）自动驾驶汽车正式获得了美国内华达州车辆管理局（DMV）颁发的执照，这是美国历史上为自动驾驶汽车颁发的第一张执照。同样重要的是，激光雷达（LiDAR）也首次正式在自动驾驶汽车上露脸。

这个被放置在车顶上被戏谑为“全家桶”的装置其实就是汽车的“眼睛”——LiDAR。这个“全家桶”不仅尺寸醒目，价格也是让人瞠目——7万美元。这就是LiDAR最初也是迄今为止最为成熟的量产形态——机械式LiDAR。

LiDAR的主要构成要素可概括为发射系统、接收系统和信号处理系统。LiDAR系统的核心组件主要有激光器、扫描器及光学组件、光电探测器及接收IC，以及位置和导航器件等。

所谓机械式LiDAR，是指其发射系统和接收系统存在宏观意义上的转动，也就是通过不断旋转发射头，将速度更快、发射更准的激光从“线”变成“面”，并在竖直方向上排布多束激光（即32线或64线雷达），形成多个面，达到动态3D扫描并动态接收信息的目的。以“全家桶”为例，也就是由Velodyne生产的第一代机械式LiDAR（HDL-64E），竖直排列的激光发射器呈不同角度向外发射，实现垂直角度的覆盖，同时在高速旋转的马达壳体带动下，实现水平角度360度的全覆盖。因此，我们可以看到“全家桶”在汽车行驶过程中，就一直处于360度旋转状态中。

下面我们简单分析，机械式LiDAR主要构成要素。还是以Velodyne生产的第一代机械式LiDAR（HDL-64E）为例来了解其结构。

下面是其内部结构示意图：

机械式LiDAR作为在自动驾驶车辆上最先应用的激光雷达产品，具有以下优点：

1. 扫描速度快：扫描速度只决于发射模块的电子学响应速度，不受材料的特性影响，可以实现比光学相控阵更高的扫描频率。

2. 接收视场小：这种扫描技术是一种发射和接收同步扫描技术，接收视场小，抗光干扰能力强，信噪比高。

3. 可承受高的激光功率：这种扫描技术完全是在自由空间中进行，可以采用高峰值功率的激光脉冲进行高信噪比的探测。

但是机械式LiDAR因为运动部件较多，除了价格高居不下以外，还存在较多不足之处。特别是用于自动驾驶汽车，存在如下缺点：

1. 结构笨重，马达和多面体棱镜的重量和体积较大，容易造成机械磨损，不利于长时间运转使用。可靠性随着时间逐渐降低，对于以“安全性”为首位的自动驾驶汽车来讲，这是无法接受的致命缺陷。

2. 光通过每一个多棱镜的表面时，都会经历一段较短的不能接受光信号的时间，降低反射信号接收比，使得信号接收比大幅降低。

3. 装调工作量大：需要将发射和接收模块进行精密光学对准装配，工作繁复，工作量大，大批量生产难度大。

未来，LiDAR在自动驾驶领域，其体积、价格、安全性、量产能力都是需要综合考量的因素。从目前激光雷达的业界声音来看，机械式LiDAR仅仅是过渡产品，未来应该是混合固态LiDAR和全固态LiDAR的天下。

下面，让我们一起看看目前主流LiDAR企业的量产的机械式LiDAR的产品布局吧。细数机械式LiDAR企业，也可窥见未来LiDAR技术的发展方向。

1. Velodyne

Velodyne公司的机械旋转式产品在车载激光雷达领域占据统治地位，后续推出混合固态的产品，成本有所降低，正在逐步研发全固态激光雷达。Velodyne公司获得百度与福特1.5亿美元的投资，计划到2020年左右成本降至500美金。

从技术方向看，Velodyne公司后续产品在俯仰方向（垂直于水平面方向）均采用了电子扫描技术，在方位方向（水平方向）采用机械360度旋转扫描。技术路线已经从机械式LiDAR逐步转向混合固态LiDAR，但全固态LiDAR的产品暂时还没看到。

2016年1月的CES消费电子展会上，Velodyne展示了“混合固态超级冰球”（Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto），由此引入了混合固态激光雷达（LiDAR）的概念。所以之前的几款主流LiDAR产品应该都算是机械式激光雷达的产品。主要是HDL-64E、HDL-32E和VLP-16三款产品。

其性能指标见下图

前面已经展示了HDL-64E激光雷达内部照片，下图是HDL-32E激光雷达内部照片

下图是VLP-16 激光雷达内部照片

从其内部结构照片，可以看出这三款产品除了HDL-64E的差异较大外，HDL-32E和VLP-16基本一样，只不过VLP-16是在HDL-32E的基础上减少了16线，并对结构进行了优化。但实际上HDL-64E和HDL-32E、VLP-16采用的都是同一种技术。

2. Quanergy

Quanergy公司的产品系列主要包括三款LiDAR：M8、S3和S3-Qi，以及利用LiDAR开发的新一代安防解决方案Q-Guard。M8是Quanergy推出的第一代LiDAR，采用8个2D线性激光扫描器，属于机械式LiDAR。随后，相继发布的产品都开始走固态LiDAR路线。S3号称是全球首款全固态LiDAR，采用了光学相控阵技术，不含任何旋转活动部件，实现了LiDAR的小型化，并提高了可靠性，规模量产后有望将传感器的价格降低至250美元以下；S3-Qi则是一款微型固态LiDAR，标准封装尺寸仅为1 x 1.5英寸，重量约100克，具有较低的功耗，S3-Qi可广泛应用于无人机、智能机器人、安防、智能家居及工业自动化应用。

3. ibeo

从最早Ibeo Motiv的360度整体旋转，到跟车厂结合，固定光源和接收器，只是有一个转镜的LUX和ScaLa。2010年德国激光雷达供应商Ibeo与法国汽车零部件供应商法雷奥合作开发并量产的ScaLa，作为一款高精度机械式LiDAR，其最大检测距离为150米。2016年采埃孚（ZF）收购了Ibeo公司的40%股份，帮助Ibeo公司研发固态LiDAR和更高效的数据标定。