LiDAR系列报道（二）：汽车LiDAR的“先行者”——机械式LiDAR
2017-11-05 13:54:27 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
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。
机械式LiDAR拉开自动驾驶的序幕
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。
谷歌自动驾驶汽车
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“眼眸”——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。
LiDAR的主要构成要素
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。
机械式LiDAR主要构成要素
Velodyne生产的第一代机械式LiDAR（HDL-64E）结构示意图
瑜不掩瑕，机械式LiDAR难逃“先烈”的命运
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。
应用在（半）自动驾驶车辆的不同解决方案对比（来源：Quanergy公司）
机械式LiDAR vs. 固态LiDAR
未来，LiDAR在自动驾驶领域，体积、价格、安全性、量产能力都是综合考量的因素。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。瑜不掩瑕，机械式LiDAR最终难逃“先烈”的命运！ 下面，让我们一起看看LiDAR企业的发展布局吧。
细数机械式LiDAR企业，窥见未来LiDAR技术方向
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。
Velodyne公司现有产品及主要参数
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。
Quanergy公司的LiDAR技术路线图
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。
ibeo公司的激光扫描市场的技术路线图，预计在2022年推出成熟的固态LiDAR
从以上国外几家主要LiDAR企业的产品路线来看，不难看出，大家发力点都瞄准在固态LiDAR，毕竟小型化、低成本、可靠性高是未来自动驾驶领域LiDAR的趋势。除了这几家在LiDAR技术沉淀已久的公司以外，还有不少初创企业和传感器领军企业都欲直接切入混合固态LiDAR和全固态LiDAR，如中国的光珀智能。那么混合固态LiDAR和全固态LiDAR的技术和市场前景如何，请继续关注麦姆斯咨询的后续报道。同时也欢迎参加由麦姆斯咨询主办的『“微言大义”研讨会：激光雷达技术及应用』——时间：2017年12月22日，地点：深圳会展中心！
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