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想完成一顆激光雷達(dá)需要分幾步？

1. 搭建一套體積足夠小的脈沖式激光測距系統(tǒng)；

2. 重復(fù)搭建測距系統(tǒng)，并根據(jù)特定規(guī)則將它們進(jìn)行空間排列；

3. 增加一套電機(jī)帶動測距系統(tǒng)進(jìn)行 360°旋轉(zhuǎn)；

4. 增加一套控制和通信模塊，確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作并與外部實現(xiàn)通信。

完成！

瞧，看上去打造激光雷達(dá) Demo 并非難事，至少比把大象裝冰箱容易得多。

但以上只為陳述一個流暢的邏輯，就像汽車并非簡單四個輪子加一套沙發(fā)，激光雷達(dá)的設(shè)計和開發(fā)也并非易事。

1.搭建一套體積足夠小的脈沖激光測距系統(tǒng)

激光雷達(dá)基本原理可以簡單等同于脈沖式激光測距儀原理。

它基于一個完美的公式，L=0.5*CT，我們稱它為 TOF（Time of flight），飛行時間法。

典型測距儀要通過一個發(fā)射單元，一個接收單元和一個計算單元來實現(xiàn)。

發(fā)射單元輸出的脈沖經(jīng)目標(biāo)物體反射后又被接收單元接收，計算單元同時記錄脈沖往返的渡越時間 T，計算光速 C 和渡越時間 T 的乘積的一半，就是測距儀和目標(biāo)物體之間的距離 L。

這種測距儀的一種典型應(yīng)用出現(xiàn)在軍事行動上（民用的測繪領(lǐng)域也常見）。

采用大功率的 1064nm 激光照射器，單脈沖能量達(dá) 100mJ，峰值功率可達(dá)兆瓦，配合極小的激光發(fā)散角，實現(xiàn)對 10Km 范圍內(nèi)的軍事目標(biāo)進(jìn)行測距和指引。

著名的 Hellfire 導(dǎo)彈就是依靠這套測距和照射系統(tǒng)實現(xiàn)精確的激光末制導(dǎo)打擊。從上世紀(jì) 80 年代服役至今，依然是美軍戰(zhàn)術(shù)武器上的優(yōu)選。

當(dāng)然，把軍用激光雷達(dá)測距儀拿來民用是不合理的。

首先，1064nm 激光器并非人眼安全波段。

另外，單脈沖能量過高；最后軍用測距儀的體積較大，成本昂貴。

但相同的原理，我們通過改造就可以將其合理利用。

有這樣一種波長的激光，它屬于人眼安全波段，可以通過體積極小半導(dǎo)體激光器泵浦輸出納秒級別的窄脈寬，同時具備足夠好的能效比——這就是 903nm。

如今 903nm 的半導(dǎo)體激光器可以將裸 Die （螺片封裝）通過金絲鍵合工藝封裝在 PCB 上，其尺寸只有毫米級，同時保持足夠好的性能和穩(wěn)定性。

當(dāng)然，單純的 903nm 半導(dǎo)體激光器是無法點亮自己的，還需要一套完備的電路來驅(qū)動它。

目前常見的機(jī)械旋轉(zhuǎn)式雷達(dá)都采用了驅(qū)動電路板的形式，相比幾個毫米的激光器，驅(qū)動電路則大得多。

因此，將驅(qū)動電路打包 ASIC 化是未來的趨勢，即縮小了體積，又優(yōu)化了穩(wěn)定性和工藝。

至此，我們大致搞定了發(fā)射端。接下來，我們還需要一個接收器來配合。

常用的光電探測器有 PIN，APD，CCD，CMOS 等，當(dāng)然還有 SPAD，MPPC 等等聽上去更高端的選項。

但選擇探測器的準(zhǔn)則要滿足，在 903nm 波段有足夠好的帶寬、響應(yīng)度跟信噪比，足夠小的尺寸和穩(wěn)定性，以及足夠高的性價比。

首先是帶寬的需求，由于激光脈沖的寬度在納秒級別，其信號帶寬在百兆以上，因此探測器也需要具備足夠的帶寬，從而帶來足夠的響應(yīng)速度。

如果帶寬太窄，則信號會失真，導(dǎo)致接收端輸出的上升沿緩慢，從而為后端的信號處理帶來麻煩。

響應(yīng)度需求，這個容易理解。

如果探測器響應(yīng)度不夠，則接收端的信號強(qiáng)度極弱，由此會給后級放大電路帶來負(fù)擔(dān)。

你可能會說，我們可以提高后級運(yùn)算放大電路的能力來彌補(bǔ)，但這就涉及到信噪比的問題。

信噪比是激光雷達(dá)系統(tǒng)中非常重要的設(shè)計指標(biāo)，對探測距離，測距精度都產(chǎn)生重大影響。

理想狀態(tài)下，我們期望噪聲平躺在地上，永遠(yuǎn)不要露面，但這不現(xiàn)實。

對于 903nm 波長的激光雷達(dá)，有一個重要的噪聲來源不可避免。

陽光中包含豐富的 903nm 成分，這些成分又包含非常豐富的頻率分量。而 LiDAR 光學(xué)系統(tǒng)的濾光片是允許 903nm 通過的。

也就是說，雷達(dá)的光學(xué)接收系統(tǒng)，會將自己發(fā)射的 903nm 脈沖，和陽光中的 903nm 成分，一視同仁。

這些混雜了非常多頻率的 903nm 成分，會被探測器接收并放大成噪聲。

這個噪聲同時會被后級運(yùn)放逐級放大，最后就成為生長在有效 pulse 上的雜草，這些雜草會給系統(tǒng)的 TOF 計算引入麻煩。而后級運(yùn)放的放大倍數(shù)越高，雜草生長越瘋狂。

這也就是為什么不能無節(jié)制的提高運(yùn)放能力。

說回到探測器的信噪比，光電探測器本身也會引入噪聲到后級電路當(dāng)中。所以理想的探測電路設(shè)計，為了盡量確保源頭的干凈，應(yīng)該選擇信噪比足夠高的探測器。

尺寸，穩(wěn)定性和性價比，這就看供應(yīng)商的能力了。

隨著激光雷達(dá)行業(yè)的發(fā)展，供應(yīng)商也是火力全開，在上游行業(yè)取得了不小的進(jìn)步。

根據(jù)上述探討，滿足現(xiàn)實需求的是硅基的 APD，雪崩光電二極管。其響應(yīng)特性曲線美妙的在 900 附近留下了極大值點，剛好和 903nm 半導(dǎo)體激光器牽手一段姻緣。

如今同樣裸 Die 封裝的 APD 尺寸可以做到毫米級別，知名供應(yīng)商如 First sensor，濱松（HAMAMATSU）的探測器都可以敏感數(shù)百米的 903nm 激光脈沖，配合放大電路能夠?qū)崿F(xiàn)高信噪比響應(yīng)。

你可能會問，如今 SPAD，MPPC 這種具備史詩級響應(yīng)度的單光子探測器用在雷達(dá)上，豈不是可以測出天際？

蓋革模式探測能力很強(qiáng)，毋庸置疑。

但激光雷達(dá)是高動態(tài)范圍的全天候設(shè)備，需要覆蓋弱背景光的夜晚和強(qiáng)背景光的正午，陽光中的近紅外成分非常容易讓單光子探測器飽和，這也就是單光子探測通常是用在測星領(lǐng)域的原因。

當(dāng)然，如果在動態(tài)范圍上能有所突破，這種探測器依然不失為一種選擇。

至此我們步入了激光雷達(dá)設(shè)計初級階段，距離小康還很遙遠(yuǎn)。

搞定了激光發(fā)射單元和接收單元，配合合適的邏輯控制和計時單元，就可以實現(xiàn)測距功能。

2.重復(fù)搭建測距系統(tǒng)

一對收發(fā)系統(tǒng)，在目標(biāo)物體上只能呈現(xiàn)一個點的距離信息，如果想獲得更多信息量怎么辦？

我們可以利用重復(fù)搭建的方式，將多對相同且獨(dú)立激光收發(fā)系統(tǒng)，通過特定的規(guī)則實現(xiàn)空間排列，就可以在目標(biāo)上呈現(xiàn)多個點的距離信息。

簡單以線性排列為例（當(dāng)然，實際的激光雷達(dá)通常不會粗糙的線性排列，這里面有多方面原因，節(jié)省空間是其中之一）：

至此，我們通過這套收發(fā)模組，可以在目標(biāo)物體上獲取線狀的距離信息。

3.增加一套電機(jī)帶動測距系統(tǒng)進(jìn)行 360°旋轉(zhuǎn)

為了獲得更多的信息量，貪婪的工程師想到了新的主意：

加裝一套電機(jī)，帶動收發(fā)模組旋轉(zhuǎn)，隨著電機(jī)旋轉(zhuǎn)，收發(fā)模組掃描周圍環(huán)境，反饋所接觸的第一道障礙物的距離信息，由此構(gòu)成了我們所見到的漂亮點云。

不得不說這是一個務(wù)實，且推動了一項產(chǎn)業(yè)的絕佳想法，同時所帶來的專利糾紛也賺足了眼球。

但這個電機(jī)也是如今讓機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)飽受詬病的所在——車企紛紛對它的穩(wěn)定性和壽命提出質(zhì)疑。

這種質(zhì)疑合情合理，雖然汽車上也存在很多電機(jī)裝置，電機(jī)本身也符合車規(guī)等級要求，但激光雷達(dá)有所不同：

其一，雷達(dá)所搭載收發(fā)模組作為負(fù)載相對較重，會對電機(jī)的壽命造成影響；

其二，激光雷達(dá)是精密的光學(xué)設(shè)備，車載環(huán)境下大溫度范圍和復(fù)雜震動難免引起結(jié)構(gòu)的配重失衡，機(jī)械結(jié)構(gòu)的微小變動會導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)失衡，從而在探測效果上打折扣。

所以才會有諸多優(yōu)秀的公司涌入了固態(tài)雷達(dá)市場。

當(dāng)然，這個市場目前正處于技術(shù)爬坡階段，篇幅關(guān)系暫不討論。

4.增加一套控制和通信模塊，

確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作并與外部實現(xiàn)通信

打好上述基礎(chǔ)，我們?nèi)匀恍枰恍┦瘴补ぷ鞔_保這顆雷達(dá)工作正常。

首先，激光收發(fā)模組需要精確的邏輯時序控制，計算 TOF 時間需要精確到皮秒級別的計時模塊，這些工作需要一個邏輯控制核心完成。

其次，需要一個電機(jī)驅(qū)動單元確保電機(jī)工作正常，以及無線供電或者滑環(huán)單元實現(xiàn)能量傳遞（滑環(huán)存在壽命問題）。

另外，為了實現(xiàn)外部控制與數(shù)據(jù)傳輸，還需要通信模塊實現(xiàn)信息交互。以及，以上所有單元都需要的供電模塊。

至此，我們大體走完了激光雷達(dá)的開發(fā)流程。

打開上位機(jī)，就可以欣賞漂亮的點云啦！

不得不說，機(jī)械式激光雷達(dá)的熱度已經(jīng)在下降了，更多的技術(shù)、資金和目光都聚焦在固態(tài)激光雷達(dá)這片藍(lán)海上。

P.S. 后續(xù)我們可以聊聊固態(tài)激光雷達(dá)。

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