激光雷达原理、发展史、系统构成与分类有哪些？

激光雷达分类方式较多，按照测距方式、扫描方式等分类。

激光雷达（Light Detection and Ranging，LiDAR）是一种基于激光束进行探测和测距的 技术。该技术向目标发射激光脉冲并接收其回波信号，通过处理信号、测量光脉冲在空 气中的传播时间以及确定光束方向，能够精确获取目标物体的距离、速度、方位和形状 等信息。得益于超短脉冲激光技术、高灵敏度信号探测和高速数据采集系统的发展与应 用，激光雷达凭借其高精度测量能力、精细的时空分辨率和广阔的探测范围，已成为一 种关键的主动遥感工具，被誉为“机器之眼”。

激光雷达的早期发展雏形可以追溯至 1930 年，爱尔兰物理学家 Edward Hutchinson Synge 提出了利用激光雷达测距的雏形，采用了具有非常小发射角的探照灯来实现远距 离探测望远镜。

1960 年美国物理学家 Theodore Maiman 制造了世界上第一台激光器；后于 1962 年，Hughes Aircraft 的工程师 Rod Smith 发明了世界上第一款商用激光雷达 Colidar Mark II，并被应用于军事用途。自 1960 年代之后，伴随激光雷达技术的发展，激 光雷达从科研及测绘项目等领域开始了应用范围的不断扩展。

1980 年起，激光雷达行业开始进入工业探测及早期无人驾驶项目的应用，1980 至 1990 年，Sick 与 Hokuyo 等激光雷达厂商推出单线扫描式 2D 激光雷达产品2。

进入 2000 年，激光雷达开始在无人驾驶和机器人等领域崭露头角。2002 年，美国 军用机器人公司 iRobot 尝试融合机器人技术与扫地功能，推出了首款量产扫地机器 人 Roomba 400，但其清洁性能及覆盖角度未能获得用户认可。2010 年，Neato 公 司将该技术应用于扫地机器人，推出了 Neato XV-11。这一革命性突破实现了“全 局规划式”清扫，显著提升了服务机器人的清洁效率。

2007 年 DARPA 发起的无人驾驶挑战赛极大推动了高线数激光雷达的应用，参赛的 7 支队伍中有 6 支装备了 Velodyne 的产品。2009 年谷歌启动自动驾驶项目时，同 样选用了 Velodyne 激光雷达。此后，Velodyne 专注于深耕高线数市场，并于 2010年与 Ibeo 合作开发了车载激光雷达产品 SCALA3。

2016 年起，国内激光雷达厂商相继进入市场，技术实力逐步追赶国际同行。伴随全 球自动驾驶技术由 L0 向 L2/L3 乃至 L5 级别演进，2017 年奥迪 A8 搭载了法雷奥公 司（Valeo）的激光雷达 Scala1。该产品采用机械旋转扫描架构和直接飞行时间测距 原理，整体集成于汽车引擎盖下方，成为全球首款应用于乘用车的激光雷达系统。 同年，禾赛科技不仅实现了 40 线激光雷达 Pandar 40 的量产，还发布了固态激光 雷达产品 Pandar GT。

2023 年禾赛科技在美国纳斯达克上市，成为“中国激光雷达第一股”，2024 年速腾 聚创接力在香港证券交易所上市。

随着禾赛、速腾、图达通等内资企业的崛起，国 内激光雷达厂商逐渐在全球市场中占据一席之地。

激光雷达系统通常包含激光器、光学系统、探测器、信号处理单元以及数据采集与处理 系统等核心组件。其信号处理链涵盖控制硬件（如数字信号处理器 DSP）、激光驱动电路、 激光发射发光二极管、发射与接收光学镜头、雪崩光电二极管（APD）、可变跨导放大器 （TIA）及探测器。尽管半导体技术的快速发展促使性能提升且成本快速下降，但光学组 件和旋转机械结构仍是系统成本的主要构成部分4。

激光雷达系统结构复杂，技术路线与测量维度多样。测距原理、激光波长、发射装置、 接收装置和扫描方式构成其五大核心技术维度。不同维度的选择衍生出各异的技术方向 及产品类别，直接影响成品的测距、测速、测角、精度、范围、功耗和集成度等关键性 能参数，进而决定各主机厂的产品实力与长期发展潜力。

激光雷达分类方式较多，按照测距方式、扫描方式等分类。近年来激光雷达技术朝着远 距离、大范围、高分辨率、低成本的方向演进。按照测距方法，激光雷达对物体的测距 方式主要分为飞行时间（ToF，Time of Flight）和调频连续波（FMCW ，Frequency Modulated Continuous Wave）两种方式。dToF 是直接飞行时间方法，通过直接测量发 射激光与回波的信号的时间差，基于光在空气中的传播速度得到目标物体的距离信息， 具有响应速度快，探测精度高的优势。dToF 方案技术成熟度高，成本相对低，该方案是 目前量产激光雷达使用的主要方案。FMCW 是 iToF（间接飞行时间）激光雷达中最常见 的形式，是使用调制频率的激光雷达。 激光雷达存在多种分类依据，如测距方式和扫描方式等。近年来，该技术持续向远距离、 大范围、高分辨率及低成本方向发展。基于测距方法，主要分为飞行时间法（ToF, Time of Flight）和调频连续波法（FMCW, Frequency Modulated Continuous Wave）两种。直 接飞行时间法（dToF）通过精确测量发射激光与回波信号的时间差，结合光速计算目标 距离。该方法响应迅速、探测精度高，技术成熟度佳且成本相对较低，是当前量产激光 雷达的主流方案。调频连续波法（FMCW）则是间接飞行时间法（iToF）激光雷达中最 常见的形式，其原理基于激光的频率调制。

ToF 与 FMCW 方法在室外阳光下均可实现 100~250 米的探测距离，被视为车载激光雷 达的优选方案。当前，ToF 是中长距车载应用的主流选择。FMCW 方案在测距、测速、 抗干扰性、功率（人眼安全）及信噪比等性能上也具备优势。但由于系统复杂度高、开 发难度大，导致 FMCW 成本居高。随着该技术逐步成熟，未来市场可能出现 ToF 与 FMCW 方案并存格局5。

根据扫描方式分类，激光雷达可以分为固态激光雷达、混合固态激光雷达、机械式激光 雷达。其中，混合固态激光雷达包括转镜式、色散棱镜式、MEMS；固态式激光雷达包 括 Flash、光学相控阵（OPA）式激光雷达6。

机械激光雷达：即利用旋转的机械部件（如反射镜、棱镜等）控制光束扫描方向， 实现较大范围的视场角。

半固态激光雷达： 作为机械式与纯固态方案之间的过渡形态，此类雷达借助部分机 械运动完成扫描。主要分为一维扫描和二维扫描两类，并可依据运动部件差异细分 为 MEMS（微机电系统）、转镜式及棱镜式半固态激光雷达。 1) MEMS 半固态激光雷达： 核心组件为微小的 MEMS 微镜，通过电静力或热致 动实现快速精确偏转，引导激光束方向。该微镜集成于半导体基板，尺寸小、 重量轻，支持高频扫描。其优势在于高分辨率与快速扫描能力，适合动态环境 感知与障碍物检测。但受限于微镜扫描角度（通常小于 120 度），难以实现 360 度全景覆盖。 2) 转镜式半固态激光雷达：依靠旋转反射镜完成扫描。通常包含电机和镀膜反射 镜（三面或四面），匀速旋转实现全方位探测。此类结构简单、可靠性高，但 扫描频率与精度易受电机性能及反射镜材质制约。 3) 棱镜式半固态激光雷达：采用旋转多边形棱镜配合纵轴摆动镜引导激光。其独 特优势在于单光源即可完成多光源扫描任务，但对扫描频率、功率及可靠性提 出更高要求。

固态激光雷达： 作为完全无机械运动部件的技术方案，具有结构简洁、集成度高的 特点。主要包含相控阵（OPA）和 Flash 两种实现方式。 1) 相控阵激光雷达（OPA）：采用相位控制技术实现光束偏转，由多组激光发射单 元构成阵列。通过精确调节各单元间的相位差，改变激光束的发射角度。该方 案具备测量精度高、分辨率优异的特点，同时支持超高频扫描，特别适合需要 快速响应与高精度检测的应用场景。 2) Flash 激光雷达：基于高密度激光源阵列，以类似闪光灯的方式瞬时照射目标 区域，配合高灵敏度接收器构建三维图像。由于激光能量会分散在整个视场范 围内，其视场角（FoV）越大，单位面积的功率密度就越低，从而导致探测距 离和精度的下降7。 相比机械式激光雷达结构复杂、体积庞大、价格昂贵、在极端的环境中可靠性较低等特 点，固态和混合固态激光雷达更可靠、尺寸更小、更经济，更能满足客户对感知性能的 需求，也更容易通过车规级相关标准8。