蔚來、小鵬、華為都在搞，小白也能看懂的激光雷達技術掃盲！
大家好，我是電動小偵探！隨着上海車展蔚來ET7、小鵬P5、極狐阿爾法S等車型登台亮相，自動駕駛又一次成了車展“迎接未來”主題的話題點。而三款面向城市高級輔助駕駛的車型，無一例外地搭載咱們眼中“傳説”已久的激光雷達。這次小偵探就把這個讓人又愛又恨的激光雷達拎出來，從原理到應用場景，用最淺顯的方式給大家捋一捋它的前世今生。
激光雷達安全嗎？
其實，激光雷達和咱們都熟悉的倒車雷達，物理原理是相通的。都是通過電磁波發射、反射，然後計算時間差得到環境和障礙物的距離信息。
汽車品牌之所以拼了命的撩撥激光雷達，是因為這東西正好彌補了攝像頭和毫米波雷達的缺點，激光雷達的探測距離更遠，受環境變化的影響較小，而且精度較高，甚至能通過發射出去的電磁波描繪出周圍環境的3D圖像。不過，激光雷達從概念到裝車，可不是一帆風順的。
從大蘑菇到豆腐塊
普羅大眾對於激光雷達的初認知，最早始於谷歌這台用於自動駕駛開發的小萌車，頭頂上的“大蘑菇”便是激光雷達的一種——機械式激光雷達。它的工作原理就跟我們看潛水艇、戰艦上的雷達掃描器一樣，通過快速的旋轉，實時掃描周圍3 60°的環境信息。所以機械旋轉式激光雷達的優點就很明顯了：視野非常廣！
但是，誰願意將來自己的車頂着個大蘑菇呢？太難看了吧！不僅如此，旋轉掃描的激光雷達涉及到機械結構之間的相互運動，一定程度上也影響了激光雷達的可靠性和使用壽命。因此，我們對量產車激光雷達的訴求就誕生了：
1、縮小體積，別太顯眼，否則影響車輛美觀度；
2、降低機械結構的參與，拓展使用環境和耐用性。
小時候咱們在課堂上，有沒有拿小鏡片晃過老師？眾所周知，電磁波是可以反射的，那我可不可以固定住發射源，不讓它轉，而是讓電磁波在發射路徑上“旋轉跳躍”呢？於是，混合式激光雷達走進了汽車廠商心中。混合式激光雷達內部有一塊MEMS振鏡，在驅動電路的帶動下，MEMS振鏡產生高頻旋擺，而激光源是固定不動的，打在振鏡上的電磁波就會在振鏡的轉動下，快速掃描鏡頭前方的環境。
説白了，混合式激光雷達的激光源就好比是太陽，MEMS振鏡就是你手中的小鏡片，黑板和老師就是被測物體，你用手（伺服電機）瘋狂地帶動小鏡片，在老師和黑板間打出移動的光斑，全班同學（接收器）在歡笑聲中目送你罰站……這就是混合式激光雷達的工作過程。
不難看出，混合式激光雷達避免了大規模的機械旋轉，體積可以做得更小，也在一定程度上提高了可靠性。我們來看一款成品，2017年奧迪推出新一代A8，這也是混合式激光雷達首次搭載到量產車上面，佈置於牌照區下方。從外面我們看不到激光雷達的旋轉動作，但它可以提供145°的水平視角，80米的有效探測距離。
混合式激光雷達，裏面還是有個伺服電機，能否進一步減少機械運動呢？可以！全固態激光雷達，其中“固態”指的就是內部結構全部固定，徹底不存在機械運動。目前，實現全固態有兩種途徑，一種是光學相控陣（OPA），一種是閃光（Flash）。
咱們先説相控陣，如果您是軍迷，想必對相控陣應該不會太陌生。既然機械結構不動，我就讓電磁波自身發生變化！水波和光的雙縫實驗，物理課上都講過吧，簡單説就是利用波的干涉特性，經過縫隙後會在某個方向加強，其他方向減弱。相控陣激光雷達也是利用這個基礎原理，做了很多導管並排成陣列，激光光源經過導管陣列後會發生多縫干涉，產生定向增強的波束。此時我們再去調節激光光源的波長或相位，就能獲得激光掃描的效果。
而Flash激光雷達的原理，更像我們再熟悉不過的相機。它是直接用激光光源在傳感器上打出一個平面，照射到物體後再反射回來，記錄每個像素點的飛行時間並算出物體的距離甚至形狀。因此， Flash激光雷達也被稱為“面陣方案”，大家甚至可以把它簡單理解成“激光3D相機”。
不過，相控陣和Flash在汽車領域的應用潛力還有待開發，畢竟汽車的工作環境複雜、惡劣，對探測距離也有較高要求。OPA和Flash要達到2 00米以上的有效探測距離，同時控制住成本，還需要一步步的努力。
安全性需要擔心嗎？
很多人談“激光”色變，是因為激光在我們印象中常常伴隨着武器一起出現。事實上，激光也是電磁波的一種，而它的頻率高於可見光範疇，再加上激光切割、激光近視手術等名詞，這些都進一步加深了人們對激光的恐懼心理。
拋開劑量談毒性，都是耍流氓。事實上，車載激光雷達的安全性完全無需擔心。以國際電工委員會ICE對激光設備安全等級的劃分來看，Class1級要求“無生物性危害，不必特別管理”，符合這個等級的消費品有激光教鞭、DVD播放機等等。同時，激光雷達的波長一般不低於850nm，也是為了避開可見光波段。市面上的車載激光雷達主要有兩種波長，分別是905nm和1550nm，小鵬P5屬於前者，蔚來ET7屬於後者。綜合波長、輸出功率、輻照時間等因素，車載激光雷達的安全等級要求也是Class1，目前來看還沒有敢在量產車上對人眼安全提出挑戰的廠商。
換句話説，現階段我們見到的這些激光雷達車型，都是安全的。再去比較的話，1550nm的波長會在電磁波到達視網膜之前就被晶狀體完全吸收掉，更是談不上對視力有什麼傷害。也正是這個因素，蔚來ET7的激光雷達允許採用更高的功率，從而獲得更遠的探測距離。這就涉及到接下來咱們要聊的——激光雷達的性能指標了。
如何理解這些參數
將來大家會越來越多看到“線程”這個詞，我們可以將它看做是電磁波束的數量。單線激光雷達只有一個激光發射器和接收器，不管經過機械旋轉，還是振鏡旋轉，最終投射出來就是一條線。而多線激光雷達是目前主機廠的共同選擇，投射出多條平行線，從而繪製出內容更豐富的“雷達圖像”。
顯然，線程數量越多，激光雷達眼中的世界細節就越多。因為隨着被測物體距離遠近的不同，離得越遠，打到物體上的激光掃描線間隔就越大。大家夜裏用手電筒不也是麼，照的越遠光斑越小，亮度就越低。
不過線程數增加同時意味着發射源和接收器數量的增加，這成本肯定是水漲船高的。所以廠商也要根據自家產品激光雷達的使用場景合理規劃線程數量，以華為的中長距激光雷達為例，96線程，10%反射率下能達到150米的探測距離，同時擁有120°的水平視角和25°垂直視角，非常適合城區場景。再遠，探測效果就下降得厲害了。
測距能力和視場角，咱們結合線程一起來説。再舉個例子，蔚來ET7的激光雷達擁有等效300個線程、120°水平視角、500米的最遠探測距離。之所以能獲得500米的最遠探測距離，很大程度上是300個等效線程貢獻的，線程數多了，才能維持遠距離下的掃描密度。而且大家要注意“等效”兩個字，ET7的激光雷達很有可能是通過振鏡的極高頻偏轉來實現更高的掃描次數，以至於它用1顆發射器，就能獲得機械式激光雷達3顆甚至5顆發射器的效果，因此才加上“等效”二字。
另外ET7激光雷達的功率勢必更高，因為要同時滿足大視野、長距離兩個條件下的角分辨率和點雲密度。1550nm的波長安全性前面提過了，除此之外，這個波段的穿透性更強，受煙霧等惡劣環境的影響較小。在我看來，ET7上面的激光雷達既想要120°的水平視角幫助車輛進行城市自動駕駛，又想讓這顆激光雷達勝任高速上的遠距離探測需求，所以等效300線程、120°水平視角、500米的探測距離都必不可少，即便用更少的發射器滿足了線程需求，也很難壓下成本。
視場角FOV，廠商們總愛宣傳水平參數，因為數字大、好看，但水平+垂直才能真正描述一台激光雷達的可視範圍。機械式激光雷達，就是那個蘑菇頭，可以完美做到360°水平視場角。縮小體積變成混合式激光雷達後，目前多數廠商不超過120°（當然也要結合激光雷達的功能定位）。這裏再把華為搬出來，我們看到目前已經裝車的96線中長距激光雷達，FOV參數為120°水平+25°垂直，但亮點不在這裏，普遍的激光雷達線束分佈，越靠畫面中央越密、越靠畫面邊緣越稀，而華為卻能做到線束均勻分佈，這大大降低了後端感知算法的難度。
總結
不可否認，未來兩年將處於激光雷達大量裝車，且多個技術路線共同發展的時期。面對廠商們的參數轟炸，我們可別掉到“為參數論”的險境當中，因為激光雷達還將經歷一段時期的成本沉澱，不是説機械式激光雷達就落後、固態激光雷達就一定先進，每個技術路線都會找到自己的應用領域，甚至不一定在汽車上。自動駕駛領域，車載激光雷達一定要將參數和應用場景結合在一起考量，它不是一個獨立的存在，而是跟整車傳感器方案、定位、算法算力等共同服務於未來出行。
本文來源於汽車之家車家號作者，不代表汽車之家的觀點立場。