什么是激光雷达（LiDAR）

激光雷达（LiDAR）概述

1. 什么是激光雷达

激光雷达（Light Detection and Ranging，简称 LiDAR）是一种主动遥感技术，通过向目标发射激光脉冲并接收其反射回波，利用光的往返时间或相位信息计算目标的距离、方位和速度，进而生成高密度的三维点云数据，实现对环境的精确三维建模。

2. 工作原理

• 飞行时间（ToF）‍：激光器发出短脉冲，测量光从发射到返回的时间，乘以光速得到距离。
• 相位测距：连续波激光的相位差用于亚厘米级距离测量。
• 调频连续波（FMCW）‍：通过发射频率随时间线性调制的激光，利用混频得到距离和速度信息。
  这些原理与声纳、雷达相似，只是使用光波，使得分辨率更高。

3. 关键组成部件

4. 主要技术类型

1. 机械旋转式 LiDAR：通过高速转动的激光阵列实现 360° 扫描，典型于早期自动驾驶系统。
2. 固态 LiDAR（无机械运动）
   • MEMS 扫描：微机电镜面快速摆动，实现点阵扫描。
   • Flash（闪光）LiDAR：一次性发射阵列光束，整个视场同步成像。
   • 混合固态：结合机械转盘与固态扫描，实现高可靠性与高分辨率的平衡。
   • 光学相控阵（OPA）/SPAD阵列：基于硅光子技术的全固态方案，具备极高集成度和成本优势。

5. 优势与局限

优势

• 高空间分辨率（厘米级）和精准距离测量。
• 直接获取三维点云，适用于复杂环境感知。
• 对光谱特性敏感，可区分不同材质的反射特性。

局限

• 成本仍高，尤其是高功率、长距离的车规级产品。
• 对雨、雾、雪等恶劣天气敏感，回波衰减明显。
• 部分波长（如 905 nm）对眼睛安全有要求，需要功率控制。
• 大规模点云数据处理对算力和存储提出挑战。

6. 典型应用场景

7. 近期技术与市场动态（2023‑2025）

• 固态化加速：速腾聚创在 2024 年实现车规级固态 LiDAR 量产，成为全球首家此类企业。
• 市场规模：2024 年全球固态 LiDAR 市值约 1.9 亿美元，预计 2025‑2032 年复合年增长率 35%。
• 技术格局：2023 年混合固态占据 68% 市场份额，预计 2033 年仍将是主流，Flash 与 MEMS 逐步提升占比。
• 行业预测：Yole 预测 2024‑2029 年汽车 LiDAR 市场规模将从约 5.4 亿美元增长至 36 亿美元，年复合增长率约 38%。
• 国产企业崛起：禾赛科技、速腾聚创、华为等在车规级、Robotaxi 以及高阶智能驾驶（L4/L5）中占据重要份额，2024 年单月交付突破 5 万台。
• 新型光学方案：基于 OPA 与 SPAD 的全固态 LiDAR 正在实现高集成、低功耗，已在部分车企和机器人平台试用。

8. 发展趋势展望

1. 成本持续下降：随着 MEMS、VCSEL、OPA 等硅光子技术成熟，单元成本有望在 2025 年前降至 10–20 美元量级。
2. 多传感器融合：LiDAR 与摄像头、雷达、超声波的融合感知将提升在雨雾等极端环境下的鲁棒性。
3. 高分辨率与长距离：1550 nm 高功率激光与 FMCW 技术的结合，使得 200 m+ 量程、厘米级分辨率成为车规标准。
4. 行业标准化：ISO/IEC 正在制定 LiDAR 数据格式与安全测试规范，推动跨厂商生态兼容。
5. 新兴应用：AR/VR 空间映射、地下管线探测、海底测绘以及空间站激光测高等领域正快速拓展 LiDAR 的使用边界。

小结
激光雷达是一种以激光脉冲测距为核心的主动遥感技术，能够快速、精确地获取三维点云。其核心优势在于高分辨率和直接的深度信息，但成本、天气适应性和数据处理仍是挑战。近年来，固态化、光学相控阵以及 FMCW 等新技术推动了成本下降和性能提升，全球市场正以两位数的年增长率快速扩张，尤其在自动驾驶、测绘和智慧城市等关键领域发挥日益重要的作用。