什么是激光雷达的“发动机技术”？一文讲透行业技术壁垒 （一）

划重点：1.机械式激光雷达是机械扫描，混合固态激光雷达（MEMS、转镜、棱镜）也是机械扫描。

2.点频，是一个比 FOV、分辨率和刷新频率更能综合、全面地反映激光雷达的感知能力的指标，如汽车的“百公里加速”一样重要。

3.综合来看，相比于扫描模块，收发模块才是激光雷达行业的“发动机技术”。

4.收发模块电子部件的芯片化，是未来激光雷达的发展趋势和技术壁垒。

所有硬科技行业都有自己的技术壁垒，而构筑出最高技术壁垒的企业，将在竞争格局中占据优势，从而“得壁垒者，得天下”。在传统燃油车时代，各家车企“杀手锏”级别的技术壁垒，毫无疑问是发动机技术。研发新发动机往往周期长、难度大，尽管如此，各大车企还是投入了大量的资源去提升自己的发动机技术。车企愿意不断投入发动机技术，做这件“难而正确”的事，无非就是构筑和强化自己的技术壁垒。 那么，在激光雷达领域，类似于汽车领域中发动机技术的核心技术壁垒是什么呢？在回答这个问题之前，我们需要先搞清楚一个问题：当讨论激光雷达时，大家关心的究竟是什么？

一、关于激光雷达，大家究竟关心什么？

激光雷达的实际使用方，关心的无非是三点：性能、可靠性和成本。性能一般指测距能力、精度、视场角、分辨率、刷新帧率、体积、功耗等参数，可靠性就是能不能过车规，而成本则更是决定激光雷达能否大规模量产的关键因素。

当然，不同的场景对激光雷达的使用要求和偏好也不一样：

· Robotaxi 对性能有极致要求，对可靠性要求也较高，因此一般使用高线束高性能激光雷达；

· 低速封闭场景的 L4 自动驾驶场景（如港口、环卫、矿山等）一般使用低线束激光雷达，对于成本和可靠性要求较高；

· ADAS 场景目前也逐步开始前装激光雷达，对于性能、可靠性和成本要求都非常高。

图 1 不同场景对激光雷达的不同要求

Velodyne 作为早期机械式激光雷达的代表，性能优秀，但是成本昂贵，装调复杂难以量产，在产品可靠性上也难以取得突破。为了解决成本和量产可靠性的问题，各激光雷达厂商在激光收发模块，扫描模块等各个环节进行了探索，也出现了 MEMS、OPA、固态、混合固态（半固态）、VCSEL、SPAD 等一系列技术路径名词。

值得强调的是，不论是转镜、棱镜、MEMS 微振镜，它本质还是通过机械运动部件来改变光的传播方向实现扫描，所以严谨地说，这几种并不能被称作“固态”，而是应该被定义为“混合固态”或“半固态”，关于这几种的区别会在后文中详细讨论。

鉴于当前外界对激光雷达的讨论比较混乱，我们先做个简单的梳理。

激光雷达，按照测距原理，可以分为 ToF 和 FMCW，其中 ToF 路线是大多数厂商采用的主流技术方案。

图 2 激光雷达按照测距原理划分

ToF 原理的激光雷达，按照部件来划分，可分为发射模块、接收模块、扫描模块和数字处理模块。其中发射模块、接收模块和扫描模块，不同激光雷达厂商的技术路线差异较大，当前业界关于混合固态、固态激光雷达的讨论，其实主要是围绕扫描模块进行，也就是图 3 中左上角红色部分。

图 3 ToF 激光雷达部件及技术路线汇总

回到激光雷达的结构，发射模块和接收模块关系密切，我们统一称为收发模块，其功能是通过激光器发射激光，探测器对返回的光进行接收，是个光电转换+复杂的信号处理模块，本质是电子部件。

而扫描模块，本质上是通过不断改变光的传播方向，实现用有限的收发通道来满足覆盖视场角（FOV）的要求。可以类比为一个塔防上的机关枪要对抗各个方向敌人的进攻，如果不能万箭齐发，就要通过摇摆机关枪来覆盖更广的区域。

无论机械式还是混合固态的扫描方式，都是通过机械运动，不断改变光的传播方向，来实现扫描。所以，机械式激光雷达是机械扫描，混合固态激光雷达也是机械扫描。

机械式激光雷达

混合固态激光雷达

收发模块

机械运动

固定

扫描模块

机械运动

机械运动

图 4 机械式和混合固态激光雷达对比

图 5 机械式激光雷达工作图

图 6 MEMS 微振镜混合固态激光雷达工作原理

二、收发和扫描，谁才是核心技术壁垒？

结合上面的信息，我们知道激光雷达主要包括收发模块和扫描模块，而目前市场上的讨论多“以扫描论天下”，争论最多的就是机械式、混合固态、固态等基于扫描方式的区分，进一步在炙手可热的混合固态方案中又衍生了 MEMS 微振镜、转镜、一维扫描和二维扫描等类型。

那么是否扫描模块就是激光雷达的核心技术壁垒呢？既然激光雷达的主体架构就是收发+扫描，那我们就追本溯源，搞清楚激光雷达性能、可靠性和成本这三个方面究竟是如何被收发和扫描模块影响，从而从根本上厘清主次。

我们把性能、可靠性和成本进一步拆分成细小指标，作为纵坐标，把收发模块和扫描模块对该指标的影响力作为横坐标：其中横坐标为 1，表示该指标主要由收发模块决定；横坐标为 5，则表示该指标主要由扫描模块决定，可以得到下图。

图 7 TOF 激光雷达收发模块和扫描模块对关键指标的影响分析

先看性能，使用方关心的性能指标，包括测距能力、精度、视场角、分辨率、刷新帧率、功耗、体积、点云规整度等。

1.测距能力探测距离就是激光雷达能够探测的范围，反映的是激光收发和信号处理的能力。激光收发效率越高，信号处理能力越强，则测距能力越强。激光雷达实际使用中，测距能力也和被测物体的反射率相关，反射率越高，收到的反射光就越多，测距就越远。所以探测距离一般和反射率是“成组出现”，比如 150 米。@10%，就是指在目标反射率为 10%的情况下探测距离为 150 米。

当然，也有一些厂商为了夸大产品性能，对外宣传的探测距离是基于 50%、80%的反射率，甚至是对反射率避而不谈。针对这些乱象，有业内人士在跟笔者交流时吐槽道：凡是不注明反射率而空谈探测距离的，都是耍流氓！

在图 8 中，测距能力的坐标值为 2，表示测距能力主要由收发模块决定，包括激光器的发射功率、发射波段、探测器的探测灵敏度等。

那为什么不是全部由收发模块决定呢？因为有时候扫描模块也会影响到测距能力，比如，业内普遍认为，扫描镜的光孔口径太小的话，测距能力会受到限制，MEMS 方案的振镜光孔口径较小，而转镜方案口径相对较大。

2.精度精度是指探测距离的精确度，探测精度越高，对目标物刻画越准。

精度反映了波形处理能力，主要取决于收发模块，与扫描模块关系很弱，因此图 8 中测距精度的坐标值为 1。

3.视场角、分辨率和刷新帧率使用方特别关心的视场角、分辨率和刷新帧率，往往相互依存、相互影响，因此，我们放在一起讨论。

视场角，也叫 FOV（Field of View），包括水平和垂直两个方向，就像是用投影仪照一面墙，投影仪的光能覆盖的范围一样，范围越大越好。

分辨率，指激光雷达相邻两个探测点之间的角度间隔，分为水平角度分辨率与垂直角度分辨率。相邻探测点之间角度间隔越小，对目标物的细节分辨能力越强。

刷新帧率指的是激光雷达对目标物的扫描频率，一般用频率（Hz）来表示，表示 1 秒扫描多少次。

其实这三个参数是相互依存、互相影响的，可以通过改变其中一个参数来调节另外两个参数。如果不说明其他两个参数，去片面强调其中的一个参数，是有失公允甚至是有误导性的。

2019 年的 CES 展会上，某家厂商为了展现其激光雷达“等效 640 线”的高分辨率，将刷新帧率设置为 1Hz，而实际上，在 1Hz 的刷新帧率下，激光雷达对动态目标的追踪能力滞后，是无法使用的。

也有一些厂商，强调某个小范围内能达到的“最高分辨率”，其实也是取巧的。在光束最稀疏的地方，角分辨率是多少呢？他们不说。

那有没有一个被业内认可的指标，可以综合、全面地反映激光雷达的感知能力？

有，这就是“点频”。

点频指的是激光雷达每秒完成探测并获取的探测点的总数目，也叫出点数或每秒点数，类似摄像头的总像素的概念。用点频来描述，既不能靠降低刷新帧率取巧，又能避免视场角大小和不均匀带来的“最高分辨率”这样片面的描述。

根据定义，我们可以得出点频的计算公式：

水平方向和垂直方向的平均点数，分别等于水平方向和垂直方向的视场角，除以对应方向的角分辨率，因此，对于二维扫描，上述公式换一种表达方式就是：

对于一维扫描，其垂直方向的线束是固定的，计算公式为：

很明显，就像相机的像素一样，点频越多，说明激光雷达对目标物的感知能力越好。

可以说，如同汽车的“百公里加速”是衡量汽车动力性的最核心性能指标，点频也是激光雷达的核心性能指标。

有人可能会有疑问：通过提升扫描部件的扫描频率，来提升刷新帧率，是否可以提升点频？

提升扫描频率，是能够提升刷新帧率，但是并不会改变点频。

因为，如果仅仅改变扫描频率，刷新帧率是上去了，但分辨率却下来了，点频是不变的。

为了便于理解这个问题，我们还是用机关枪的例子：点频就是机关枪每秒扫射出的子弹数，扫描频率为机枪左右摆动的频率，能够通过改变机关枪左右摆动的频率，来改变机关枪每秒喷射的子弹数吗？很明显不会。

换句话说，虽然点频看似是三个数字的计算结果，但它是一个决定项（函数中的自变量，外界输入因素决定的），而不是一个结果项（函数中因变量，可以通过改变内部参数来决定）。视场角（FOV）、分辨率和刷新帧率，这三个参数，并不能决定和改变点频，相反，点频决定了三者的制约关系，一个参数变了，另外两个也得随之而动。

再做个类比：如果将刷新帧率从 10Hz 改为 1Hz，机枪左右摆得慢了，自然扫描点就更密了，水平角分辨率就提高了；在刷新帧率不变的前提下，如果 FOV 变大，自然子弹就稀疏了，水平角分辨率就变小，如果 FOV 变小，子弹扫射的面积变小，扫射的点会变密，水平角分辨率也就提高了。

那点频是由什么决定的？在图 7 中，点频的分值为 1，即点频主要由收发模块决定，具体如下。

每个激光器的点频上限是一个综合的设计选择，需要考虑性能需求、总功耗、寿命、信号处理能力等。

激光器总数量是由激光雷达收发模块的架构决定的。那么，可否通过增加激光器的总数量，来实现激光雷达更高的点频呢，也就是用很多台机关枪同时扫射，从而每秒发射更多的子弹？答案是肯定的，但是每台机关枪都不便宜，要使用大量的激光器，如果没有芯片化，很难实现可控的总成本，这也是行业壁垒之一。

下图为《九章智驾》根据官方产品手册和业内人士交流中得到的几款混合固态激光雷达的点频、激光器总数换算出的每个激光器的点频。每个激光器的点频越低，代表每个激光器被激发的时间比例越低（占空比），对激光器寿命的负面影响也就越小。

点频/s

激光器总数

每个激光器的点频/s

Luminar Iris

~93.6 万*

2

~46.8 万

Innoviz One

143.7 万*

4

36 万

禾赛 AT128

153.6 万

128

1.2 万

Luminar Iris 的点频计算逻辑：点频=横向 FOV 纵向 FOV*点云密度。Luminar Iris 的 FOV 为 120 度（H）x26 度（V），点云密度为>300 points/square degree，假设帧率为 1，则点频为 120x26x300=93.6 万；*Innoviz One 的点频计算逻辑：按照官网参数，FOV 为 115 度（H）x25 度（V），分辨率为 0.1 度（H）x0.1 度（V），帧率为 5~20Hz，则点频范围预计为：143.7 万~575 万，则点频取“>143.7 万”，按照 2019 年 Innoviz 的宣传材料，其点频为 600 万，考虑到材料的时效性，不予采纳。

笔者和业内人员沟通时，对方透露：通常，要实现高寿命，必须要控制每个激光器点频的上限，但对于激光器数量少的方案，就需要解决总点频不够的问题。市场上许多减少发射器的厂商，其每个激光器的点频已经非常接近甚至超过了合理上限，做 Demo 没问题，但后续长期工作的可靠性上存在挑战。

5. 功耗

激光雷达中收发电子模块的功耗远大于扫描机械模块，因为电子模块需要每秒在百万次的量级上发射和接收光，并且每次收发都要经过复杂的模拟和数字电路的处理把它转化为 3D 点云信号。相比之下，机械部分的运动并不会对外输出功率，而一般来说是一个匀速超低阻力下的运动部件，就好像一个稳定运转的陀螺，并不会需要很高的动力去维持。因此，图 8 中坐标值为 2。一般来说，一维扫描的功耗比二维扫描要低一些。

6. 体积

激光雷达的扫描模块一般来说是整个体积很小的比例，不论是机械雷达的整体旋转盘还是一维二维转镜。收发模块中，负责收发的光学和电子模块占据了主要的空间，往往因为光学焦距、垂直视场角和测距能力要求的限制，或者通道数多而集成度低带来的约束，其体积很难进一步压缩。如下图中某厂商激光雷达的内部结构，扫描结构是底部桔黄色圈以下的一层，收发模块占据了激光雷达主要的体积。

图 8 某机械雷达的内部结构（图片出自电子发烧友网）

6. 点云规整度点云规整性影响了点云处理算法的适配难度，图 8 中这一指标分值为 5，表示主要由扫描部件决定。在点云规整度上，能够形成横平竖直矩阵效果的扫描方式对算法最好的，例如机械式、一维转镜；对二维转镜方案，很多激光雷达厂商认为，一方面需要用多个激光器拼接视场角，边缘处会有变形。另一方面二维运动形成的扫描很难做到绝对平整的矩阵效果，最终对点云规整度造成影响。

7. 可靠性

可靠性，也就是业内讨论的过车规，是由收发模块和扫描模块共同决定的，毕竟某个部件存在“短板”过不了车规，总成也很难过车规。一般来说，收发模块的电子元器件相对容易过车规，尤其是主流厂商采用的 905nm，上游的供应链比较成熟，相比之下，基于 1550nm 收发模块的器件的供应链都还处于相对早期，过车规挑战大。不过，和收发模块相比，影响更大的是扫描模块。一些厂商认为，除了像一维转镜这种已经被法雷奥验证过车规而风险较低以外，其他扫描方式，如机械式、MEMS 和二维转镜，都还需要时间去证明其可靠性。

8.成本成本，则由收发模块和扫描模块共同决定，坐标值为 3，基于不同的方案选择，两者都可能对成本有很大影响。根据以上的讨论，不难得出这样一个结论：

激光雷达的性能指标，主要取决于收发模块；

可靠性，主要由扫描模块决定；

成本，由两者共同决定。

那么在选择可靠稳定的扫描模块基础上，不断优化收发模块，将是一款优秀激光雷达的必经之路。

扫描模块的本质是机械，由它带来的可靠性问题需要通过工程方式来解决，主要靠时间。相比之下，收发模块的壁垒，则是电子技术的演进，是技术壁垒+工程壁垒，这其中的技术创新和研发能力就非常重要。综合来看，收发模块才是激光雷达行业的“发动机技术”。

文章来源：九章智驾 原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/MF4Y0sb6uu_2hrgB_xUHog

作者：许良 版权归原作者所有，如需转载，请联系作者。

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