激光雷达如何“看见”世界？四种扫描方式全面解析
发布时间：2025-06-23 16:03:41
来源：工业
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当一辆自动驾驶汽车灵巧地穿梭于繁忙车流，或是一台服务机器人精准避开脚下障碍物时，你是否好奇过它们的“眼睛”是如何运作的？这背后的核心科技之一，便是激光雷达。而激光雷达精准“看清”三维世界的秘密，便藏在其千变万化的扫描方式中。
一、机械旋转式：经典与可靠的代名词
这是激光雷达最成熟、应用最广泛的扫描方式。其核心在于通过电机驱动激光发射器和接收器进行360度水平旋转。
- 如何工作？ 想象一下高速旋转的塔台：激光束通过旋转的发射镜或整个收发模块向四周发射。物体反射回来的信号被同一旋转轴上的接收器捕获。通过测量激光飞行时间精确计算距离，结合旋转角度，就能实时构建出周围环境的三维点云地图。
- 核心优势：
- 360°全景无死角扫描：水平视野无任何遮挡。
- 测距长、精度高：技术成熟，在较远距离（百米甚至数百米）仍能保持较高精度。
- 技术成熟可靠：早期自动驾驶（如Waymo车队）大量使用。
- 显著挑战：
- 体积大、重量大：机械旋转结构需要空间且限制了集成度。
- 成本高昂：精密转动部件和多个收发通道抬高了成本。
- 可靠性顾虑：持续旋转带来磨损，影响产品寿命和车规级认证。
- 线束限制：垂直分辨率由物理排列的激光器数量决定，增加线数会大幅提高成本和体积。高线束（如128线）产品性能优异但价格昂贵。
二、MEMS微振镜式：小型化与车规化的突破
为解决机械旋转式的固有缺陷，MEMS微振镜式激光雷达应运而生。它利用微机电系统（MEMS）技术，在芯片上制造微小的可动反射镜。
- 如何工作？ 固定不动的激光器发出光束，照射在一块微小的镜片上。这块镜片通过施加电压产生可控的微小偏转或振动，从而改变激光束的反射方向，实现扫描。接收光路同样利用此微振镜或固定接收器收集回波。
- 核心优势：
- 尺寸微型化：核心扫描部件仅为芯片大小，显著减小整体体积。
- 成本潜力大：基于半导体工艺，具有规模化降本前景。
- 高可靠性：无宏观机械运动部件，震动适应性好，更易满足车规要求。
- 高扫描频率与分辨率：微振镜响应速度极快（kHz级别），可实现高密度点云。
- 需要权衡之处：
- 视场角相对有限：通常水平视场角可达120°左右，垂直视场角约25°左右（需多个拼接或特殊设计实现更大范围），难以实现360°单机覆盖。
- 镜面尺寸制约测程与抗干扰：微振镜面积有限，限制了光学接收孔径，对远距离探测和强环境光（如正午阳光）干扰抑制提出挑战。
- 技术门槛高：涉及精密光学、MEMS工艺、控制算法等，研发难度大。
三、光学相控阵：纯固态的未来之星
OPA技术是真正纯固态扫描的代表，完全摒弃任何机械运动部件，概念类似军事雷达中的相控阵天线，但作用对象是光波。
- 如何工作？ 在硅基芯片上集成大量（数百至数千）光学天线单元。通过精密控制每个单元发射光波的相位，利用波束相干叠加原理，在特定方向上产生主瓣强光束。改变各单元相位差，就能实现激光束方向的无惯性、高速电子扫描。
- 核心魅力：
- 超高速扫描：电子控制响应速度可达微秒甚至纳秒级。
- 扫描灵活性极高：可实现任意复杂图案的瞬时扫描，抗干扰能力强。
- 纯固态、高集成、低成本潜力：全芯片化是终极目标，利于大规模量产和集成。
- 高可靠性：无任何活动部件。
- 当前瓶颈：
- 技术难度巨大：相位控制精度要求极其苛刻，制造工艺复杂。
- 旁瓣抑制问题：光束能量可能分散到不需要的方向（旁瓣），影响主瓣能量和信噪比。
- 输出功率受限：单个单元发射功率有限，芯片总热管理也是挑战，影响有效测程。
- 视场角与产业成熟度：当前可实现的实用化视场角相对较小，大规模商业化尚需时日。
四、Flash泛光式：极速快照的成像者
Flash Lidar采取了一种非常不同的思路：脉冲成像。它不进行扫描，而是像照相机的闪光灯一样，瞬间用大面阵激光“照亮”整个目标场景。
- 如何工作？ 通过一个或少数几个大功率激光器，配合特殊的光学扩散器，在极短时间内（纳秒级）向整个设定视场角（如120°x 25°）发射一束覆盖整个区域的大角度扩散激光脉冲。接收端需要一个高分辨率的面阵探测器（如SPAD阵列），其中每个像素点都具备独立计时能力，同时接收对应方向返回的光子，计算时间差得到距离信息，一次曝光即可获取整个场景的三维图像。
- 核心优势：
- 无扫描运动：真正纯固态，可靠性极高。
- 成像速度极快：单次闪光即完成一帧数据采集，可有效避免高速运动模糊。
- 系统相对简单：省去了复杂的扫描机构。
- 主要局限：
- 探测距离与分辨率困境：单次脉冲能量须分散到整个场景，导致每个像素接收到的光子数大大减少，严重制约有效测程。同样功率下，其探测距离远小于扫描式激光雷达。高分辨率需要庞大的探测器阵列（如数百万像素），成本和功耗控制难度大。
- 强背景光干扰：大面积接收更容易受到环境光（尤其是阳光）干扰，需要非常精密的光学滤波和探测器设计。
- 功率限制与人眼安全：瞬间大功率输出对人眼安全法规要求更严格。
不同的激光雷达扫描技术正在各自擅长的领域重塑三维感知的边界。当技术迭代持续推动成本下探与
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