激光雷達的過去、現在和未來

圖源：圖蟲

編者按：本文來自微信公眾號錦緞（ID： jinduan006），作者愚老頭，創業邦經授權轉載。

不知不覺間，從1960年第一台激光器到現在，六十年彈指一揮間，激光雷達從最初的遠程測距到眼科檢查，再到推動掃地機器人進入千家萬户。自動駕駛時代的到來，激光雷達更是站到了舞台的正中央。

在自動駕駛需求的推動下，激光雷達技術將出現指數性的進步。

誰也不知道將來會有什麼樣的殺手級應用。我們唯一能確定的就是，高性價比的激光雷達，將會提升我們感知這個世界的能力，讓這個世界變得更美好。

所謂雷達，就是用電磁波探測目標的電子設備。激光雷達，顧名思義就是以激光來探測目標的雷達。 

談到激光雷達，當然首先離不開激光的歷史。 

早在1916年，愛因斯坦就發現了激光的原理。簡單的説，就是原子中的電子從高能級落到低能級的時候，就會以光子的形式釋放能量。從某種意義上説，這可以理解成一種形式的“燃燒”。 

理論上並不複雜，但第一台真正意義上的激光器，卻要到1960年，也就是44年後才出現。因為這種形式的“燃燒”，需要的材料和觸發條件，都不好實現。 

1960年7月，美國休斯實驗室的西奧多·梅曼，發明了人類歷史上第一台激光器。為了達到“燃燒”所需要的條件，他用高強閃光燈管，來激發紅寶石，最終促成了真正意義上的激光的出現。 

激光器發明後的第二年，也就是1961年，科學家們就提出了激光雷達的設想。因為激光跟雷達，處於同一個圖譜上，正常人都會往這邊想。 

根據我們高中畢業之後僅剩不多的物理記憶，我們知道光速=3*108米/秒，我們還知道，無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線這些，本質上都是一種電磁波，那麼就有下面的公式： 

波長*頻率=光速 

波長越長，頻率越低，這兩者反方向變化。從實際應用的角度出發，波長越長，繞射的能力越強，但是因為頻率低，貫穿的能力就弱。 

比如我們在北京，打開收音機就能聽到的北京交通廣播FM103. 9MHz，代表的就是波長約3米的電磁波（光速除以頻率就是波長），屬於短波電台，傳播覆蓋區域一般，主要覆蓋北京；而中央人民廣播電台的頻率是1.008MHz，波長就延伸到300米左右，繞射能力更強，可以對整個大中華地區進行廣播。

波長的另一個極端是X射線γ射線，傳播能力很弱，但貫穿力極強，X光射線可以用來做胸透，γ射線威力最大，可以直接殺傷細胞，通常用於工業探傷。 

利益是最好的老師，一二次世界大戰催生了雷達的發明和快速進化，最早的雷達波長是23釐米，後來火控雷達出現，波長降到1-5釐米，一直到今天，該區段都是雷達波長的主流區域。 

並不是所有的電磁波都可以產生激光。沿着電磁波的頻率圖往右走，與雷達波相鄰的紅外線、可見光和紫外線，都可以發出激光。既然我們用釐米波製作雷達，那麼順理成章的激光也可以做雷達，這就是激光雷達的理論依據。

而且，雷達就是發出電磁波，同時接收反射回的電磁波，通過兩者的時間和波形變化來對周邊環境建模。激光雷達無非就是把原來的釐米波換成激光，各種算法都是現成的。 

從這裏你就可以發現，激光雷達的技術基本上就是從軍用雷達技術上平移過來的。沒有軍用雷達技術的國家，激光雷達技術必然也不會高，因為二者的原理和算法大差不差，沒有軍用雷達技術做底子，激光雷達想都不用想。 

激光器已經發明，雷達的算法都是現成的，我們看到了激光雷達摩拳擦掌，就要在這個世界大展拳腳了。 

凡事都怕但是。 

稍有姿色，稍有才華，都是蠻尷尬的事情。會在無數個時刻，你站在一級台階上，自以為窺見了天光。 

激光雷達也是這樣。 

直來直去的激光指向性強，在150米範圍內可以很清晰的對外在環境進行二維和三維建模，但是超過300米以上，還有在大霧雨雪等極端天氣下，激光雷達就變得精確度感人。 

所以，激光雷達很長一段時間，乾的都是直來直去一竿子捅到底的活，那就是測距。1967年7月，美國人進行了第一次載人登月飛行，就在月球上安裝了一個發射裝置用於測算地球和月球的距離。 

因為激光的特性，激光雷達發展了自己的副業，那就是在軍事上為炸彈定位。飛機發射激光照射目標，同時投擲激光制導炸彈對準目標飛行，用激光隨時修正自己的飛行路線，精確度非常高。

激光制導炸彈最早亮相於1972年4月的越南戰爭，美軍用了七年，損失了十數架飛機，都沒有炸掉的清化大橋，僅僅經過兩次轟炸，耗費20枚激光制導炸彈，就將清化大橋從地圖上抹掉。相對普通航彈，激光制導炸彈顯示了極高的費效比。 

副業擠掉了主業，小三上位。但時間之長誰也想不到，這個副業，激光雷達一干就是二十多年。 

我們常説，萬物皆有裂痕，那是光照進來的地方。 

對激光雷達來説，漫漫黑夜裏的第一束光，來自於意想不到的地方，那就是眼科。 

很久以來，眼科醫生一直希望能對患者的眼球做一個清晰的三維模型，從中發現可能的病變。但是傳統的B超、X光都有自己的缺點。由於眼球本身的特殊結構，從眼角膜一直到最後的視網膜，都是透明的，可見光可以無阻礙的進入。這就為激光雷達的使用奠定了基礎。

這個技術的名字聽起來讓人一頭霧水，叫光學相干斷層掃描，英文簡稱OCT，核心原理就是用激光雷達抵近患者眼球進行掃描建模。

第一台OCT是由卡爾·蔡司公司在1997年推向市場的，發展到現在已經進化到第3-5代，具體來説，就是利用波長從900納米到1325納米的紅外激光，對患者的眼球進行掃描，根據反射光線對眼球進行三維建模。

因為激光雷達對於近距離的物體掃描精度很高，因此這個應用非常成功，在眼科的一線醫療上得到了迅速的普及，目前已經成為眼科的常規檢查方式之一。 

但OCT這個應用畢竟很小眾，市場也不大，直到今天，中國OCT市場規模都不到10億人民幣這個數量級。激光雷達市場，迫切需要殺手級的應用出現。 

時間順流而下，又是十年過去了。 

轉機出現在一個意想不到的小家電上，那就是現在已經很常見的掃地機器人。 

第一款真正意義上的掃地機器人其實在1996年就已經出現了，伊萊克斯公司推出了世界第一款掃地機器人三葉蟲，價格昂貴，問題多多，面世之後市場一直反響平平，遠遠沒有達到可以量產的規模。

直到2002年，美國的軍用機器人公司iRobot嘗試將機器人技術與掃地功能相結合，第一款量產的掃地機器人Roomba 400就這麼出現了。一經投入市場之後即大受歡迎，當年就銷售出去將近10萬台。但哪怕是iRobot這種，在軍用機器人技術方面頂尖的老鳥，嘗試進入小家電這種民用產品時也是踩了不少坑。 

雖然一開始推出的掃地機器人很受歡迎，但離大部分人認為的“好用”，還有相當的距離。最常見的抱怨就是，“經常掃的地方來回走，有的地方又幹脆不掃”，“我家的掃地機走位風騷，撲朔迷離”。這造成了iRobot足足用了8年，年銷量才從2002年的10萬台左右，提升到2010年的100萬台。大量的掃地機器人買來之後就被放在牆角吃灰。

痛點就是需求，需求就意味着市場。為了解決機器人的掃地效率問題，2010年，Neato公司把激光雷達安在了掃地機器人上面，推出了Neato XV-11，這個革命性的突破，正式拉開了掃地機器人普及的序幕。 

上面這個凸起，就是激光雷達。激光雷達通過一個可以360度旋轉的激光發射裝置對地面障礙物進行測距，從而完成地面建模，配合SLAM（simultaneous localization and mapping，同步定位與建圖）算法，可以實現對地面的“全局規劃式”清掃，首次實現了大部分人理解的“好用”。 

以往的掃地機器人採取的是隨機式清掃模式，既然是隨機，那效率和結果當然也是隨機的，正如上面左圖，存在着多處折返，還有盲區，效率比較低，而加裝了激光雷達採取了全局規劃式清掃模式後，不但不存在盲區，由於知道自己的位置，不會重複清掃，效率也大大提升，所用的時間大約只有隨機式清掃的四分之一左右。 

Neato公司的獨創性除了把激光雷達安在掃地機器人上，最關鍵的突破是在量產上。當時的激光雷達應用很少，價格很高，一個激光雷達比一個掃地機器人還貴。Neato公司從簡單夠用出發，剔除一切不必要的結構，將單個激光雷達的成本控制在30美元以內，為激光雷達掃地機器人快速推廣做出了最重要的貢獻。 

第一個吃螃蟹總是值得尊重，Neato公司的成功向大家展示了這個市場巨大的潛力和肉眼可見的突破門檻的路徑，各個企業一擁而上，各類創新層出不窮，掃地機器人這個果子，已經熟透，可以摘了。 

如果我們用今天的眼光來看，掃地機器人，就是低配版的自動駕駛。今天的掃地機器人，超聲波雷達、攝像頭、激光雷達都已經出現，就連毫米波雷達，也已經有廠商在導入。掃地機器人，跟自動駕駛，無非是路徑規劃的不同，要解決的問題都是一樣的。 

如果説掃地機器人讓激光雷達看到了黎明的希望，那自動駕駛，就是激光雷達冉冉升起的一輪朝陽。 

自從1995年，卡內基梅隆大學的兩名研究員初步實現了人類歷史上的第一次半自動駕駛之後，自動駕駛就一直作為美國頂級黑科技的代表，活躍在各類研究所和大學實驗室裏。直到2014年10月，特斯拉推出了Autopilot，才正式拉開了自動駕駛產業化的序幕。 

但激光雷達作為核心傳感器，在自動駕駛的出場，卻充滿爭議性。 

自動駕駛剛剛嶄露頭角的2004年，現在自動駕駛所依賴的傳感器四件套——激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達、攝像頭都已經出現。尤其是激光雷達，得到了廣泛的倚重，但激光雷達的爭議也最大。 

因為現在自動駕駛的帶頭大哥，特斯拉(NASDAQ:TSLA)從一開始就堅持不用激光雷達。甚至特斯拉的CEO埃隆·馬斯克在特斯拉自動駕駛開放日放言：“傻瓜才用激光雷達，任何依賴激光雷達的人都註定要失敗！” 

我們這裏引用Michael Barnard 2016年7月寫的一篇博客的主要數據，來探究這場衝突的根源。 

衡量自動駕駛傳感器的性能，總共有十個特徵，這就是：近地探測、探測距離、分辨率、夜間工作能力、日間工作能力，雪/霧/雨工作能力、色彩對比度、探測速度、傳感器大小、傳感器成本。

如果用5分作為滿分，那激光雷達的只在夜間和日間工作能力這兩項上，做到了滿分。這兩項滿分的，除了激光雷達，超聲波雷達和毫米波雷達也都能做到，那為什麼非要激光雷達呢？

特斯拉採用了視覺為主，超聲波雷達為輔的解決方案。一輛Model 3上，共有8個攝像頭，1個毫米波雷達，12個超聲波雷達，在這個組合下，從理論上説，如上圖，也能做到十個特徵全部滿分。 

當然，激光雷達的並不是沒有用，同屬於光學傳感器，攝像頭和激光雷達在大雨雪霧等極端天氣肯定都無計可施，但是在清晰的環境下，激光雷達無論在白天還是黑夜，在中等距離，也就是150米左右，精確度要超過毫米波雷達。

自動駕駛作為新生事物，肯定需要足夠的技術冗餘。既然是實驗室開發，技術路徑驗證，那一定是拿到所有技能點然後趕緊升級，因此所有幾乎所有的自動駕駛企業都選擇採用激光雷達。 

可是特斯拉的自動駕駛路線貌似走得還不錯，所以現在自動駕駛企業都是兩頭下注，既有攝像頭為主的機器視覺團隊，也有專攻激光雷達的算法小組。

特斯拉給自己不用激光雷達的解釋是那個看上去煞有介事的第一性原理，“我在想存在一種好的思維框架……有點兒像第一原理推理（first principles reasoning）。總體來講，我認為存在將事情縮減至其根本實質”，意思是既然人類可以通過視覺加上聲學輔助實現了駕駛功能，那為什麼我自動駕駛不能通過攝像頭也就是機器視覺實現呢？ 

當然這話你聽聽就好，要是真信，那就太天真了。特斯拉不用激光雷達的原因只有一個，那就是太貴了。 

這就不得不提到Velodyne(NASDAQ:VLDR)，世界車載激光雷達的鼻祖，早在2007年美國國防部高級研究計劃局組織的無人車挑戰賽上，參賽的7只隊伍，就有6只安裝了公司的雷達，2009年穀歌開始自動駕駛項目，用的也是公司的激光雷達。

Velodyne主流的64線激光雷達，現在價格是8萬美元一台，最高的時候賣到70萬人民幣一台，您還別嫌貴，排隊半年起。2016年福特和百度(NASDAQ:BIDU)乾脆投了1.5億美元給公司，就是為了能夠優先拿到訂單，以至於很多風投都以自己能拿到Velodyne激光雷達的貨作為自己投資自動駕駛企業的核心競爭力。 

按照我們的理解，需求這麼好，不是應該趕緊擴大再生產，降低價格快速佔領市場麼？要不説Velodyne這個腦回路，跟我們普通人確實不太一樣。這公司在擴產上慢吞吞的，價格也一直高高在上，讓一眾自動駕駛初創企業心力交瘁又無可奈何.

2019年，Velodyne還發起了針對中國激光雷達公司禾賽科技的專利訴訟，禾賽科技一次性支付專利許可補償1.6億元，以及按年支付專利許可使用費直至2022年（約6000萬元）。這也直接導致了最近發生的，禾賽科技不得不撤回科創板IPO申請。 

不是激光雷達不好用，而是實在用不起。2016年4月上市的特斯拉model3才賣3.5萬美元，自動駕駛的激光雷達比車還貴，這是買激光雷達送特斯拉麼，整車廠費這麼大勁結果為Velodyne打工，這也是為什麼馬斯克一開始就定下了機器視覺也就是攝像頭路線。

因為馬斯克看到，在3-5年的中期，激光雷達不可能到自動駕駛大規模量產需要的價格，研究激光雷達就是浪費時間。

只要價格合適，馬斯克也一定會真香的。 那這個價格到底多少呢？業內的估計是，4000塊人民幣一套是一個門檻，2000塊一套是大規模普及的時間。

這個數字怎麼來的呢？我們現在常見的家用小轎車，一輛大約人民幣10萬左右，從合理的角度看，整個自動駕駛傳感器系統硬件的價格，不應超過整車價格的4%，當激光雷達的價格佔到傳感器預算的100%時，可能會在部分豪華車型上普及，這個門檻就是4000人民幣一套，當降到2000人民幣一套時，整個自動駕駛傳感器硬件的總價就會控制在4000人民幣左右，自動駕駛就迎來了大規模推廣期。 

當前的車載激光雷達路線，可以説是百花齊放、百家爭鳴，各種路線、各種思路都有人嘗試，但不管什麼路線，誰能做到大規模量產，把價格降到可見的低位，誰就是最後的勝利者。 

激光雷達總共有三個模塊，發射模塊、接收模塊和掃描模塊，一般來説會按照掃描模塊的不同掃描方式進行分類。

綜合車載激光雷達的各個路線來看，最早的機械式因為價格太高，可靠性低，做到車規級進行量產的概率基本沒有，已經出局。剩下的半固態稜鏡式主要是大疆在做。目前最有可能短期進入量產的就是半固態的MEMS路線，在這個路線上，集中了現有的所有主流的車載激光雷達廠商，這也是華為的主戰場。 

從理論上來説，最優的方式當然是固態OPA，為什麼我們不能一步到位直接實現呢？

OPA跟相控陣雷達用的是一個技術，我們一開始也説了，軍用雷達的很多技術算法都可以嫁接到激光雷達上，軍迷也都知道，美國F35戰鬥機低配版用的AN/APG-83相控陣雷達，一部大約520萬美元，對應的中國的殲20戰機的雷達，造價也接近，在500萬美元量級。

如果固態OPA能夠做成，這相當於把一部機載相控陣雷達集成進一個小方塊裏，您要能做到這，美國國防部都得跪。

如果説固態OPA路線雖然難還比較好理解，固態FLASH路線就很迷，以至於很多研究員不得不用“獨特”這個詞來形容產業界的腦回路。用拍照來建模，這個跟攝像頭的區別大麼？激光的作用是什麼？輔助攝像頭？

自動駕駛的應用，是激光雷達今天最核心的領域，按照2030年全球4000萬套出貨量，每套2000元人民幣計算，這個市場的規模大約在800億人民幣左右。

市場並沒有想象的那麼大，但激光雷達具有很強的外部性，像液晶屏幕一樣，當激光雷達的價格下降性能穩步提升時，會有更多的應用領域被開發出來，市場也會呈現指數性的增長。 

車載應用代表了當前激光雷達技術的最前沿，下一波爆發的重點，是消費電子。 

無論什麼樣的創新，最終的定位無非就是兩個：要麼以提升效率為手段降低運營成本，要麼就是以模式創新為手段提升經濟效益。從消費電子的角度，只能走的是模式創新，未來的方向是AR/VR，而激光雷達，就是實現這個路徑的必需的鑰匙。 

消費電子第一個吃螃蟹的，不是蘋果，是我們的OPPO。 

2018年8月，OPPO發佈了最新的R17Pro手機，搭載了一顆TOF 3D立體攝像頭，其實就是一顆簡單的激光雷達。這顆激光雷達能夠實現三維建模、測距以及AR尺子等功能，但是這種非剛需，沒有掀起什麼水花。後續Vivo、華為、三星都推出了自己的帶有激光雷達的手機，同樣反響平平。 

雖然這功能略顯雞肋，但蘋果也不能置之不理，人有我優，2020年3月，蘋果在2020版iPad Pro上，也安裝了一顆激光雷達，即DTOF攝像頭，在車載激光雷達性能平平的一顆激光雷達。

不得不説，消費電子行業在營銷上就是做得好，把一種平平的技術説得那麼的高大上，顯得自動駕駛企業都那麼的直男。

蘋果用的激光雷達，就是我們上面提到的，讓人很迷的固定FLASH路線，發射激光的攝像頭。這麼高集成度的激光雷達，這麼迷的路線，精確度當然不能要求太高，對於娛樂是第一生產力的蘋果來説，三維建模是通向未來的AR/VR的必須路徑，而激光雷達就是這麼一個工具。 

與天鬥，其樂無窮，人類改造世界，首先是從認識這個世界開始的。技術越來越進步的激光雷達，就是人類認識這個世界的重要工具。 

在消費電子領域，大疆把激光雷達安在了無人機上，用極低的成本，實現了人類對這個世界最初步的建模。 

世界無人機領域的引領者，大疆自己推出了Livox激光雷達，整體價格不到1萬元人民幣。這是一款很有特色的產品，在前端用電機帶動的兩到三個稜鏡實現了非重複式掃描，成本控制優秀，是一款解題思路非常出色的激光雷達。目前大疆的禪思L1無人機已經應用在了地形測繪、輸電線通道建模、農林調查等實際應用中。 

“喜看稻菽千重浪，遍地英雄下夕煙”。當今之世，數不清的資本，無數的人力、才華和智慧，都投入到小小的一方激光雷達上。無意之中，他們改變了這個世界，也照亮了我們的時代。

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