激光雷达(Light Detection And Ranging，简称"；LiDAR"；)即光探测与测量，是一种集激光、全球定位系统(GPS)和IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量装置)三种技术于一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM(数字高程模型)。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑，测距精度可达厘米级，激光雷达最大的优势就是"；精准"；和"；快速、高效作业"；^[1]。

原理

激光雷达可以高精度、高准确度地获取目标的距离、速度等信息或者实现目标成像。激光雷达工作过原理:激光通过扫描器单元形成光束角度偏转，光束与目标作用形成反射/散射的回波。当接收端工作时，可产生原路返回的回波信号光子到达接收器，接收端通过光电探测器形成信号接收，经过信号处理得到目标的距离、速度等信息或实现三维成像。

构成

激光雷达由激光发射、激光接收、信息处理、扫描系统四大基础系统构成，这四大系统相互协作，进而短时间内获取大量的位置点信息，并根据这些信息实现三维建模。

①激光发射系统:激励源周期性地驱动激光器，发射激光脉冲，激光调制器通过光束控制器控制发射激光的方向和线数，最后通过发射光学系统，将激光发射至目标物体；

②激光接收系统:经接收光学系统，光电探测器接受目标物体反射回来的激光，产生接收信号；

③信息处理系统:接收信号经过放大处理和数模转换，经由信息处理模块计算，获取目标表面形态、物理属性等特性，最终建立物体模型。

④扫描系统:以稳定的转速旋转起来，实现对所在平面的扫描，并产生实时的平面图信息^[1]。

(1)功能用途分类：跟踪雷达(用于测距和测角)、运动目标指示雷达(获取目标的多普勒信息)、流速测量雷达(测量多普勒信息)、风切变探测雷达、目标识别雷达、成像雷达(测量目标不同部位的反射强度和距离等信号)和振动传感雷达等

(2)工作体制分类：多普勒激光雷达、合成孔径成像激光雷达、差分吸收激光雷达、相控阵激光雷达等便携式激光雷达、地基激光雷达、车载激光雷达(汽车搭载)、机载激光雷达(飞机搭载)、船载激光雷达、星载激光雷达(飞机搭载)和弹载激光雷达等

(3)工作介质分类：固体激光雷达、气体激光雷达、半导体激光雷达、二极管泵浦固体激光雷达等

(4)探测技术分类：直接探测型、相干探测型

(5)载荷平台分类：便携式激光雷达、地基激光雷达、车载激光雷达(汽车搭载)、机载激光雷达(飞机搭载)、船载激光雷达、星载激光雷达(飞机搭载)和弹载激光雷达等^[1]

(1)分辨率高，激光雷达可以获得极高的角度、距离和速度分辨率，这意味着激光雷达可以利用多普勒成像技术获得非常清晰的图像。

(2)精度高，激光直线传播、方向性好、光束非常窄，弥散性非常低，因此激光雷达的精度很高。

(3)抗有源干扰能力强，与微波、毫米波雷达易受自然界广泛存在的电磁波影响的情况不同，自然界中能对激光雷达起干扰作用的信号源不多，因此激光雷达抗有源干扰的能力很强。

(4)具有极高的距离分辨率、角分辨率和速度分辨率：其探测精度在厘米级以内，能够准确的识别出障碍物具体轮廓、距离，不会漏判、误判前方出现的障碍物。

(5)获取的信息量丰富，能够直接获取目标的距离、角度、反射强度、速度等信息，生成目标的多维度图像：高频激光在在一秒内获取大约150万个的位置点信息，利用这些有距离信息的点云，能够精确还原周围环境的三维特征。

(6)全天时工作：与毫米波雷达不同的是，激光雷达能够实现对人体的探测，激光雷达比摄像头的探测距离更远。

(7)探测距离远:激光雷达的激光波长在千纳米级别，指向性好，不会拐弯，也不会随着距离的增大而扩散，也不会受到像素和光线的制约。

激光雷达的主要性能指标包括安全等级、探测距离、FOV(垂直+水平)、角分辨率、出点数、线束、输出参数、IP防护等级、激光发射方式(机械/固态)、使用寿命、波长、功率、供电电压等。

(1)安全等级：激光雷达的安全等级是否满足Class1，需要考虑特定波长的激光产品在完全工作时间内的激光输出功率，即激光辐射的安全性是波长、输出功率，和激光辐射时间的综合作用的结果。

(2)探测距离：激光雷达的测距与目标的反射率相关。目标的反射率越高则测量的距离越远，目标的反射率越低则测量的距离越近。因此在查看激光雷达的探测距离时要知道该测量距离是目标反射率为多少时的探测距离。

(3)FOV：激光雷达的视场角有水平视场角和垂直视场角。如果是机械旋转激光雷达，则其水平视场角为360度。

(4)角分辨率：一个是垂直分辨率，另一个是水平分辨率。水平方向上做到高分辨率其实不难，因为水平方向上是由电机带动的，所以水平分辨率可以做得很高。一般可以做到0.01度级别。垂直分辨率是与发射器几何大小相关，也与其排布有关系，就是相邻两个发射器间隔做得越小，垂直分辨率也就会越小。垂直分辨率为0.1~1度的级别。

(5)出点数：每秒激光雷达发射的激光点数。激光雷达的点数一般从几万点至几十万点每秒左右。

(6)线束：多线激光雷达，就是通过多个激光发射器在垂直方向上的分布，通过电机的旋转形成多条线束的扫描。多少线的激光雷达合适，主要是说多少线的激光雷达扫出来的物体能够适合算法的需求。理论上讲，当然是线束越多、越密，对环境描述就更加充分，这样还可以降低算法的要求。常见的激光雷达的线束有

(7)输出参数：障碍物的位置(三维)、速度(三维)、方向、时间戳(某些激光雷达有)、反射率

(8)使用寿命：机械旋转的激光雷达的使用寿命一般在几千小时；固态激光雷达的使用寿命可高达10万小时。

(9)激光发射方式：传统的采用机械旋转的结构，固态激光雷达主要由三类-Flash、MEMS、OPA。Flash激光雷达只要有光源，就能用脉冲一次覆盖整个视场。随后再用飞行时间(ToF)方法接收相关数据并绘制出激光雷达周围的目标。MEMS激光雷达其结构相当简单，只要一束激光和一块反光镜

激光雷达按照“测距、发射、光速操纵、探测、数据处理”五大关键技术，即五个维度，可以分为多个类别。每个不同分类方式又可进一步细分为不同的技术路线，不同路线之间差异较大^[2]。

(1)飞行时间法(Time of Flight，ToF)：通过记录发射一束激光脉冲与探测器接收到回波信号的时间差，直接计算目标物与传感器之间距离的探测方法。

(2)三角测距法：系统以一定角度发射的激光照射在目标物后，在另一角度对反射光进行成像，根据物体在摄像头感光面上的位置通过三角几何原理推导出目标物距离的探测方法。

(3)调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)：指发射调频连续激光，通过回波信号与参考光进行相干拍频得到频率差，从而间接获得飞行时间反推目标物距离，同时也能够根据多普勒频移信息直接测量目标物的速度。

(4)边发射激光器(Edge Emitting Laser，EEL)：指一种激光发射方向平行于晶圆表面的半导体激光器。

(5)垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)：指一种激光发射方向垂直于晶圆表面的半导体激光器。

(6)光子晶体结构表面发射激光器(Photonic Crystal Surface Emitting Lasers，PCSEL)：指一种采用2D光栅结构(光子晶体)、可对光线进行线性正交散射的半导体激光器，激光发射在平面外且方向垂直。

(7)光纤激光器：指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器。

(8)光源905nm：最常用的激光光源波长，但处于人眼可吸收光谱中，需要控制功率。

(9)光源1550nm：新型激光光源波长，不处于人眼可吸收光谱中，可以加大功率。

(10)PIN PD：工作无增益的光电二极管。

(11)雪崩式光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)：工作在线性增益范围的光电二极管。

(12)单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)：工作在盖革模式、具有单光子探测能力的光电二极管。

(13)硅光电倍增管(Silicon Photo-Multiplier，SiPM)集成了成百上千个单光子雪崩二极管的光电探测器件。

(14)衬底材料硅：制作半导体最常用的材料，规模化生产、工艺改进使得成本极低；吸收光的波长范围为 300-1200nm。

(15)衬底材料铟镓砷可吸收900-1700nm波长范围的光，未规模化生产。

(16)机械式：通过电机带动收发阵列进行整体旋转，实现对空间水平360°视场范围的扫描，测距能力在水平360°视场范围内保持一致。

(17)混合固态：微机电系统(Micro-Electro Mechanical System，MEMS)采用高速振动的MEMS振镜实现对空间一定范围的扫描测量，其中MEMS微振镜为采用MEMS技术制造的谐振式扫瞄镜。

(18)转镜：转镜方案中收发模块保持不动，电机在带动转镜运动的过程中将光束反射至空间的一定范围，从而实现扫描探测。

(19)固态：光学相控阵(Optical Phase Array，OPA)：通过对阵列移相器中每个移相器相位的调节，利用干涉原理实现激光按照特定方向发射的技术。

(20)固态：电子扫描：按照时间顺序通过依次驱动不同视场的收发单元实现扫描，系统内没有机械运动部件，是纯固态激光雷达的一种发展方向。

(21)现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)：指专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路。

(22)高性能单片机(Micro controller Unit，MCU)：把 CPU的频率与规格做适当缩减，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。

(23)数字信号处理单元(Digital Signal Processor，DSP)：内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。

(24)片上系统芯片(System on Chip，SoC)：单个芯片集成光电探测器、前端电路、波形数字化、算法处理、激光脉冲控制等功能模块，能够显著降低系统复杂度和成本，适合大规模量产，有条件取代主控单元FPGA。

(1)1960年代~1970年代：随着激光器的发明，基于激光的探测技术开始得到发展，应用在科研及测绘项目，代表事件是1971年阿波罗15号载人登月任务使用激光雷达对月球表面进行测绘

(2)1980年代~1990年代：激光雷达商业化技术起步，单线扫描式激光雷达出现，应用在工业探测及早期无人驾驶项目；代表事件是Sick与Hokuyo等激光雷达厂商推出单线扫描式2D激光雷达产品

(3)2000年代：高线数激光雷达开始用于无人驾驶测试项目，DARPA无人驾驶挑战赛推动了高线数激光雷达在无人驾驶中的应用，

(4)2000年代~2010年代早期：高线数激光雷达开始用于无人驾驶的避障和导航，其市场主要是国外厂商，应用在无人驾驶测试项目等；代表事件是DARPA无人驾驶挑战赛推动了高线数激光雷达在无人驾驶中的应用，此后Velodyne深耕高线数激光雷达市场多年。IbeoLUX系列产品包含基于转镜方案的4线、8线激光雷达。2010年Ibeo与法国Tier1公司Valeo开始合作开发面向量产车的激光雷达产品SCALA

(5)2016年~2018年：国内激光雷达厂商入局，技术水平赶超国外厂商。激光雷达技术方案呈现多样化发展趋势；应用在无人驾驶、高级辅助驾驶、服务机器人等，下游开始有商用化项目落地；代表事件是禾赛科技发布40线激光雷达Pandar40。采用新型技术方案的激光雷达公司同样发展迅速，如基于MEMS方案的Innoviz，基于1550nm波长方案的Luminar等

(6)2019年至今：激光雷达技术朝向芯片化、阵列化发展。境外激光雷达公司迎来上市热潮，有巨头公司加入激光雷达市场竞争；应用在无人驾驶、高级辅助驾驶、服务机器人、车联网等领域；代表性事件是Ouster推出基于VCSEL和SPAD阵列芯片技术的数字化激光雷达。禾赛科技应用自主设计的芯片组于多线机械旋转式产品。Velodyne、Luminar、Aeva、Innoviz等海外激光雷达公司陆续完成上市。多家车企发布搭载激光雷达方案的智能汽车

(1)无人驾驶行业：从车队规模、技术水平以及落地速度来看，海外相比国内 仍具有一定的领先优势。 (2)高级辅助驾驶行业：通常需要激光雷达公司与车厂或 Tier 1 公司达成长期 合作，一般项目的周期较长。 (3)服务机器人行业：国内快递和即时配送行业相比国外市场容量大，服务机 器人国内技术发展水平与国外相当，从机器人种类的丰富度和落地场景的多样性而 言，国内企业更具优势。(4)车联网行业：得益于“新基建”等国家政策的大力推动，国内车联网领域发 展较国外更加迅速^[3]。

参考资料：

[1] 2021年激光雷达行业供需现状及未来发展趋势分析报告（45页）.pdf

[2] 研报通信行业深度报告放量在即激光雷达开启前装元年-21022129页.pdf

[3] 智能硬件深度报告：激光雷达-助力智慧出行探索无人驾驶（30页）.pdf

相关报告：

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2021年激光雷达(LiDAR)行业发展驱动力及市场争格局研究报告（68页）.pdf

【研报】汽车和汽车零部件行业：激光雷达（LiDAR）行业报告欲穷“千米”目更上一层楼-210122（32页）.pdf

2022年激光雷达商用产品落地分析及未来五年行业市场空间CAGR测算报告(27页).pdf

2021年激光雷达行业市场发展规模趋势研究报告（29页）.pdf

激光雷达行业深度报告：乘智能驾驶东风领略激光雷达的星辰大海-211222（69页）.pdf》