大家好，我是電動(dòng)小偵探！隨著上海車(chē)展蔚來(lái)ET7、小鵬P5、極狐阿爾法S等車(chē)型登臺(tái)亮相，自動(dòng)駕駛又一次成了車(chē)展“迎接未來(lái)”主題的話(huà)題點(diǎn)。而三款面向城市高級(jí)輔助駕駛的車(chē)型，無(wú)一例外地搭載咱們眼中“傳說(shuō)”已久的激光雷達(dá)。這次小偵探就把這個(gè)讓人又愛(ài)又恨的激光雷達(dá)拎出來(lái)，從原理到應(yīng)用場(chǎng)景，用最淺顯的方式給大家捋一捋它的前世今生。

激光雷達(dá)安全嗎？

其實(shí)，激光雷達(dá)和咱們都熟悉的倒車(chē)?yán)走_(dá)，物理原理是相通的。都是通過(guò)電磁波發(fā)射、反射，然后計(jì)算時(shí)間差得到環(huán)境和障礙物的距離信息。

汽車(chē)品牌之所以拼了命的撩撥激光雷達(dá)，是因?yàn)檫@東西正好彌補(bǔ)了攝像頭和毫米波雷達(dá)的缺點(diǎn)，激光雷達(dá)的探測(cè)距離更遠(yuǎn)，受環(huán)境變化的影響較小，而且精度較高，甚至能通過(guò)發(fā)射出去的電磁波描繪出周?chē)h(huán)境的3D圖像。不過(guò)，激光雷達(dá)從概念到裝車(chē)，可不是一帆風(fēng)順的。

從大蘑菇到豆腐塊

普羅大眾對(duì)于激光雷達(dá)的初認(rèn)知，最早始于谷歌這臺(tái)用于自動(dòng)駕駛開(kāi)發(fā)的小萌車(chē)，頭頂上的“大蘑菇”便是激光雷達(dá)的一種——機(jī)械式激光雷達(dá)。它的工作原理就跟我們看潛水艇、戰(zhàn)艦上的雷達(dá)掃描器一樣，通過(guò)快速的旋轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)掃描周?chē)? 60°的環(huán)境信息。所以機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)就很明顯了：視野非常廣！

但是，誰(shuí)愿意將來(lái)自己的車(chē)頂著個(gè)大蘑菇呢？太難看了吧！不僅如此，旋轉(zhuǎn)掃描的激光雷達(dá)涉及到機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的相互運(yùn)動(dòng)，一定程度上也影響了激光雷達(dá)的可靠性和使用壽命。因此，我們對(duì)量產(chǎn)車(chē)激光雷達(dá)的訴求就誕生了：

1、縮小體積，別太顯眼，否則影響車(chē)輛美觀度；

2、降低機(jī)械結(jié)構(gòu)的參與，拓展使用環(huán)境和耐用性。

小時(shí)候咱們?cè)谡n堂上，有沒(méi)有拿小鏡片晃過(guò)老師？眾所周知，電磁波是可以反射的，那我可不可以固定住發(fā)射源，不讓它轉(zhuǎn)，而是讓電磁波在發(fā)射路徑上“旋轉(zhuǎn)跳躍”呢？于是，混合式激光雷達(dá)走進(jìn)了汽車(chē)廠(chǎng)商心中?；旌鲜郊す饫走_(dá)內(nèi)部有一塊MEMS振鏡，在驅(qū)動(dòng)電路的帶動(dòng)下，MEMS振鏡產(chǎn)生高頻旋擺，而激光源是固定不動(dòng)的，打在振鏡上的電磁波就會(huì)在振鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)下，快速掃描鏡頭前方的環(huán)境。

說(shuō)白了，混合式激光雷達(dá)的激光源就好比是太陽(yáng)，MEMS振鏡就是你手中的小鏡片，黑板和老師就是被測(cè)物體，你用手（伺服電機(jī)）瘋狂地帶動(dòng)小鏡片，在老師和黑板間打出移動(dòng)的光斑，全班同學(xué)（接收器）在歡笑聲中目送你罰站……這就是混合式激光雷達(dá)的工作過(guò)程。

不難看出，混合式激光雷達(dá)避免了大規(guī)模的機(jī)械旋轉(zhuǎn)，體積可以做得更小，也在一定程度上提高了可靠性。我們來(lái)看一款成品，2017年奧迪推出新一代A8，這也是混合式激光雷達(dá)首次搭載到量產(chǎn)車(chē)上面，布置于牌照區(qū)下方。從外面我們看不到激光雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，但它可以提供145°的水平視角，80米的有效探測(cè)距離。

混合式激光雷達(dá)，里面還是有個(gè)伺服電機(jī)，能否進(jìn)一步減少機(jī)械運(yùn)動(dòng)呢？可以！全固態(tài)激光雷達(dá)，其中“固態(tài)”指的就是內(nèi)部結(jié)構(gòu)全部固定，徹底不存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)。目前，實(shí)現(xiàn)全固態(tài)有兩種途徑，一種是光學(xué)相控陣（OPA），一種是閃光（Flash）。

咱們先說(shuō)相控陣，如果您是軍迷，想必對(duì)相控陣應(yīng)該不會(huì)太陌生。既然機(jī)械結(jié)構(gòu)不動(dòng)，我就讓電磁波自身發(fā)生變化！水波和光的雙縫實(shí)驗(yàn)，物理課上都講過(guò)吧，簡(jiǎn)單說(shuō)就是利用波的干涉特性，經(jīng)過(guò)縫隙后會(huì)在某個(gè)方向加強(qiáng)，其他方向減弱。相控陣激光雷達(dá)也是利用這個(gè)基礎(chǔ)原理，做了很多導(dǎo)管并排成陣列，激光光源經(jīng)過(guò)導(dǎo)管陣列后會(huì)發(fā)生多縫干涉，產(chǎn)生定向增強(qiáng)的波束。此時(shí)我們?cè)偃フ{(diào)節(jié)激光光源的波長(zhǎng)或相位，就能獲得激光掃描的效果。

而Flash激光雷達(dá)的原理，更像我們?cè)偈煜げ贿^(guò)的相機(jī)。它是直接用激光光源在傳感器上打出一個(gè)平面，照射到物體后再反射回來(lái)，記錄每個(gè)像素點(diǎn)的飛行時(shí)間并算出物體的距離甚至形狀。因此，    Flash激光雷達(dá)也被稱(chēng)為“面陣方案”，大家甚至可以把它簡(jiǎn)單理解成“激光3D相機(jī)”。

不過(guò)，相控陣和Flash在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力還有待開(kāi)發(fā)，畢竟汽車(chē)的工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，對(duì)探測(cè)距離也有較高要求。OPA和Flash要達(dá)到2    00米以上的有效探測(cè)距離，同時(shí)控制住成本，還需要一步步的努力。

安全性需要擔(dān)心嗎？

很多人談“激光”色變，是因?yàn)榧す庠谖覀冇∠笾谐３０殡S著武器一起出現(xiàn)。事實(shí)上，激光也是電磁波的一種，而它的頻率高于可見(jiàn)光范疇，再加上激光切割、激光近視手術(shù)等名詞，這些都進(jìn)一步加深了人們對(duì)激光的恐懼心理。

拋開(kāi)劑量談毒性，都是耍流氓。事實(shí)上，車(chē)載激光雷達(dá)的安全性完全無(wú)需擔(dān)心。以國(guó)際電工委員會(huì)ICE對(duì)激光設(shè)備安全等級(jí)的劃分來(lái)看，Class1級(jí)要求“無(wú)生物性危害，不必特別管理”，符合這個(gè)等級(jí)的消費(fèi)品有激光教鞭、DVD播放機(jī)等等。同時(shí)，激光雷達(dá)的波長(zhǎng)一般不低于850nm，也是為了避開(kāi)可見(jiàn)光波段。市面上的車(chē)載激光雷達(dá)主要有兩種波長(zhǎng)，分別是905nm和1550nm，小鵬P5屬于前者，蔚來(lái)ET7屬于后者。綜合波長(zhǎng)、輸出功率、輻照時(shí)間等因素，車(chē)載激光雷達(dá)的安全等級(jí)要求也是Class1，目前來(lái)看還沒(méi)有敢在量產(chǎn)車(chē)上對(duì)人眼安全提出挑戰(zhàn)的廠(chǎng)商。

換句話(huà)說(shuō)，現(xiàn)階段我們見(jiàn)到的這些激光雷達(dá)車(chē)型，都是安全的。再去比較的話(huà)，1550nm的波長(zhǎng)會(huì)在電磁波到達(dá)視網(wǎng)膜之前就被晶狀體完全吸收掉，更是談不上對(duì)視力有什么傷害。也正是這個(gè)因素，蔚來(lái)ET7的激光雷達(dá)允許采用更高的功率，從而獲得更遠(yuǎn)的探測(cè)距離。這就涉及到接下來(lái)咱們要聊的——激光雷達(dá)的性能指標(biāo)了。

如何理解這些參數(shù)       

將來(lái)大家會(huì)越來(lái)越多看到“線(xiàn)程”這個(gè)詞，我們可以將它看做是電磁波束的數(shù)量。單線(xiàn)激光雷達(dá)只有一個(gè)激光發(fā)射器和接收器，不管經(jīng)過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)，還是振鏡旋轉(zhuǎn)，最終投射出來(lái)就是一條線(xiàn)。而多線(xiàn)激光雷達(dá)是目前主機(jī)廠(chǎng)的共同選擇，投射出多條平行線(xiàn)，從而繪制出內(nèi)容更豐富的“雷達(dá)圖像”。       

顯然，線(xiàn)程數(shù)量越多，激光雷達(dá)眼中的世界細(xì)節(jié)就越多。因?yàn)殡S著被測(cè)物體距離遠(yuǎn)近的不同，離得越遠(yuǎn)，打到物體上的激光掃描線(xiàn)間隔就越大。大家夜里用手電筒不也是么，照的越遠(yuǎn)光斑越小，亮度就越低。

不過(guò)線(xiàn)程數(shù)增加同時(shí)意味著發(fā)射源和接收器數(shù)量的增加，這成本肯定是水漲船高的。所以廠(chǎng)商也要根據(jù)自家產(chǎn)品激光雷達(dá)的使用場(chǎng)景合理規(guī)劃線(xiàn)程數(shù)量，以華為的中長(zhǎng)距激光雷達(dá)為例，96線(xiàn)程，10%反射率下能達(dá)到150米的探測(cè)距離，同時(shí)擁有120°的水平視角和25°垂直視角，非常適合城區(qū)場(chǎng)景。再遠(yuǎn)，探測(cè)效果就下降得厲害了。

測(cè)距能力和視場(chǎng)角，咱們結(jié)合線(xiàn)程一起來(lái)說(shuō)。再舉個(gè)例子，蔚來(lái)ET7的激光雷達(dá)擁有等效300個(gè)線(xiàn)程、120°水平視角、500米的最遠(yuǎn)探測(cè)距離。之所以能獲得500米的最遠(yuǎn)探測(cè)距離，很大程度上是300個(gè)等效線(xiàn)程貢獻(xiàn)的，線(xiàn)程數(shù)多了，才能維持遠(yuǎn)距離下的掃描密度。而且大家要注意“等效”兩個(gè)字，ET7的激光雷達(dá)很有可能是通過(guò)振鏡的極高頻偏轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的掃描次數(shù)，以至于它用1顆發(fā)射器，就能獲得機(jī)械式激光雷達(dá)3顆甚至5顆發(fā)射器的效果，因此才加上“等效”二字。

另外ET7激光雷達(dá)的功率勢(shì)必更高，因?yàn)橐瑫r(shí)滿(mǎn)足大視野、長(zhǎng)距離兩個(gè)條件下的角分辨率和點(diǎn)云密度。1550nm的波長(zhǎng)安全性前面提過(guò)了，除此之外，這個(gè)波段的穿透性更強(qiáng)，受煙霧等惡劣環(huán)境的影響較小。在我看來(lái)，ET7上面的激光雷達(dá)既想要120°的水平視角幫助車(chē)輛進(jìn)行城市自動(dòng)駕駛，又想讓這顆激光雷達(dá)勝任高速上的遠(yuǎn)距離探測(cè)需求，所以等效300線(xiàn)程、120°水平視角、500米的探測(cè)距離都必不可少，即便用更少的發(fā)射器滿(mǎn)足了線(xiàn)程需求，也很難壓下成本。

視場(chǎng)角FOV，廠(chǎng)商們總愛(ài)宣傳水平參數(shù)，因?yàn)閿?shù)字大、好看，但水平+垂直才能真正描述一臺(tái)激光雷達(dá)的可視范圍。機(jī)械式激光雷達(dá)，就是那個(gè)蘑菇頭，可以完美做到360°水平視場(chǎng)角。縮小體積變成混合式激光雷達(dá)后，目前多數(shù)廠(chǎng)商不超過(guò)120°（當(dāng)然也要結(jié)合激光雷達(dá)的功能定位）。這里再把華為搬出來(lái)，我們看到目前已經(jīng)裝車(chē)的96線(xiàn)中長(zhǎng)距激光雷達(dá)，F(xiàn)OV參數(shù)為120°水平+25°垂直，但亮點(diǎn)不在這里，普遍的激光雷達(dá)線(xiàn)束分布，越靠畫(huà)面中央越密、越靠畫(huà)面邊緣越稀，而華為卻能做到線(xiàn)束均勻分布，這大大降低了后端感知算法的難度。

1. 總結(jié)

不可否認(rèn)，未來(lái)兩年將處于激光雷達(dá)大量裝車(chē)，且多個(gè)技術(shù)路線(xiàn)共同發(fā)展的時(shí)期。面對(duì)廠(chǎng)商們的參數(shù)轟炸，我們可別掉到“為參數(shù)論”的險(xiǎn)境當(dāng)中，因?yàn)榧す饫走_(dá)還將經(jīng)歷一段時(shí)期的成本沉淀，不是說(shuō)機(jī)械式激光雷達(dá)就落后、固態(tài)激光雷達(dá)就一定先進(jìn)，每個(gè)技術(shù)路線(xiàn)都會(huì)找到自己的應(yīng)用領(lǐng)域，甚至不一定在汽車(chē)上。自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，車(chē)載激光雷達(dá)一定要將參數(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景結(jié)合在一起考量，它不是一個(gè)獨(dú)立的存在，而是跟整車(chē)傳感器方案、定位、算法算力等共同服務(wù)于未來(lái)出行。