自動駕駛半固態(tài)激光雷達是如何工作的？

[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號]自動駕駛技術的提升很大程度上取決于傳感器技術的突破。作為自動駕駛感知層級的核心組件，激光雷達（LiDAR）一直被譽為車輛的“眼睛”。它能夠通過發(fā)射激光束并接收反射信號，在極短的時間內構建出周圍環(huán)境的高精度三維模型。在激光雷達的多種技術路線中，半固態(tài)激光雷達正逐漸取代傳統的旋轉機械式激光雷達，成為乘用車前裝量產市場的主流選擇。

從掃描原理看激光雷達的分類

激光雷達的工作原理是飛行時間法（ToF），即通過測量激光脈沖從發(fā)射到接觸物體反射回來的時間差，來計算目標的距離。然而，單一的測距點無法構成完整的視覺，必須通過某種掃描機制讓激光束覆蓋整個視野。

ToF原理，圖片源自：網絡

根據這種掃描機制的差異，激光雷達可分為機械旋轉式、半固態(tài)以及純固態(tài)三種主流架構。

機械式激光雷達是該領域最早期的成熟方案。它是將激光發(fā)射器和接收器垂直排列成一個陣列，然后讓整個模組在底座上進行360度物理旋轉。

這種方案雖然能夠實現全方位的環(huán)境感知，但由于內部包含大量精密的機械運動部件，不僅體積碩大、難以集成進車身，而且在長期高速旋轉下的可靠性也難以滿足車規(guī)級要求。

圖片源自：網絡

半固態(tài)激光雷達的出現，正是為了在性能與車規(guī)可靠性之間尋找一個平衡點。與機械式雷達“全員運動”的思路不同，半固態(tài)雷達的核心收發(fā)組件是固定不動的，光束的指向改變依靠內部小型的光學掃描元件來完成。

這種設計極大地縮小了運動部件的質量和體積，使得雷達可以做得更加扁平化。目前，半固態(tài)方案主要細分為微機電系統（MEMS）、轉鏡式以及棱鏡式三大流派，它們各自在光路操縱上有著獨特的物理邏輯。

下表簡要對比了不同激光雷達架構的核心特征：

特征

機械式激光雷達

半固態(tài)激光雷達

純固態(tài)激光雷達

掃描方式

整體360°物理旋轉

內部微小光學件運動，收發(fā)模組固定

無任何運動部件，電子控制或面陣成像

視野范圍

360°水平全覆蓋

通常為120°左右扇形區(qū)域

視場角受限，多用于近距離感知

體積與集成

體積大、多安裝于車頂

體積小，可嵌入車頭或擋風玻璃后

極小，易于隱形集成

可靠性

機械磨損大，壽命有限

較高，易通過車規(guī)測試

極高，屬于半導體級別穩(wěn)定性

成本現狀

極高，難以大規(guī)模量產

適中，正快速下降，適合前裝

研發(fā)難度極高，成本仍具挑戰(zhàn)

半固態(tài)技術的核心流派，MEMS、轉鏡與棱鏡

1）MEMS

在半固態(tài)激光雷達的細分路線中，MEMS微振鏡技術被視為代表。MEMS方案的核心是一塊直徑僅為數毫米的硅基微反射鏡，通過靜電、電磁或壓電驅動，使鏡面在水平和垂直兩個軸向上進行高頻擺動。當激光打在這塊不斷擺動的鏡子上時，微小的偏轉角度就能將光束投射到前方寬廣的區(qū)域。

這種方案的優(yōu)勢在于它極大地減少了激光器的數量，理論上僅需一組光源即可實現高分辨率掃描，顯著降低了物料成本。此外，由于MEMS鏡片是在硅基芯片上加工出來的，其生產過程具有很強的可擴展性，非常符合汽車工業(yè)大規(guī)模制造的邏輯。

當然，微振鏡也存在物理局限，其鏡面尺寸越小，能承載的激光功率就越低，進而限制了最遠探測距離。為了克服這一短板，像是華為等廠商就采用了多線程微振鏡技術，通過增加收發(fā)模組的數量來平衡探測精度與功率。

2）轉鏡式

轉鏡式激光雷達是目前量產車裝機量最大、技術最穩(wěn)健的方案之一。根據結構的不同，它可以進一步分為一維轉鏡和二維轉鏡。

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一維轉鏡方案讓收發(fā)模組固定，通過一個旋轉的多面棱鏡在水平方向上反射激光。在這種架構中，掃描的線數直接取決于激光發(fā)射器的數量。像是禾賽科技的AT128產品就是典型的一維轉鏡方案，它通過在芯片上集成128組收發(fā)模組，配合轉鏡的水平掃描，實現了“真128線”點云效果。

二維轉鏡則更加復雜，其是由一個高速旋轉的多邊形轉鏡負責水平掃描，加上一個上下擺動的鏡片負責垂直掃描。二維轉鏡方案的優(yōu)勢在于其光學效率高、散熱能力強，且由于旋轉部件的質心非常平衡，能夠很好地應對車輛行駛中的劇烈震動。

3）棱鏡式

棱鏡式激光雷達（也稱雙楔形棱鏡方案）是近年來由大疆旗下的覽沃（Livox）主導推動并實現車規(guī)級量產的獨特技術路線。其工作原理是利用兩個相互獨立旋轉的棱鏡，激光束在穿過這兩個棱鏡時會由于折射作用產生偏轉。

控制兩個棱鏡的相對轉速，可以讓激光束在前方視場中畫出類似“菊花瓣”的掃描軌跡。與傳統行掃描方式不同，棱鏡方案具有“非重復掃描”的特性。

這意味著，只要給予雷達足夠的觀測時間，其掃描點云就會隨時間累積得越來越密集，幾乎可以覆蓋100%的視場，對檢測靜態(tài)小物體（如路上的雪糕筒或遠處的行人）非常有效。

棱鏡方案的另一個重要優(yōu)勢是結構極其簡化，這使其在成本控制上極具競爭力，甚至能將激光雷達的價格壓低至普通家用車可接受的水平。

結構變革帶來的全方位提升

相較于傳統的旋轉式機械激光雷達，半固態(tài)激光雷達在汽車工業(yè)應用中展現出的提升是多維度的。

隨著半固態(tài)激光雷達的出現，激光雷達的可靠性也發(fā)生了質變。在自動駕駛中，激光雷達必須能夠在嚴苛的環(huán)境下穩(wěn)定工作十年以上，經受住顛簸、極溫、鹽霧以及電磁干擾等環(huán)境。

機械式雷達由于整個模組都在旋轉，其內部復雜的軸承和無線電力傳輸機構極易在長期震動中產生磨損和疲勞失效。而半固態(tài)方案將運動部件大幅簡化并微小化，核心的光學收發(fā)單元是靜止不動的。

以MEMS為例，其微米級的鏡面質量極輕，在經歷高重力加速度沖擊（如30G以上的沖擊測試）時，依然能保持結構的完整性和掃描的精確度。這種“化繁為簡”的物理特性，使得半固態(tài)激光雷達更容易通過AEC-Q100等車規(guī)級認證。

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半固態(tài)激光雷達也讓體積與集成度實現了跨越。對于乘用車而言，外觀的美感和空氣動力學性能至關重要。傳統的機械式激光雷達由于需要360度環(huán)視，通常只能像個“大罐子”一樣安裝在車頂中央，這不僅增加了車輛的高度，還引入了額外的風噪和風阻，從而影響續(xù)航。

半固態(tài)激光雷達則只需要覆蓋車輛前方120度左右的扇形核心感知區(qū)。得益于扁平化的設計，它可以輕易地隱藏在擋風玻璃上方、前保險杠側面甚至是大燈組內部。這種“隱形成像”的能力，讓自動駕駛汽車不再顯得突兀，更容易被大眾消費者所接受。

成本的斷崖式下降更是半固態(tài)方案最核心的商業(yè)殺手锏。在機械式雷達時代，為了提高分辨率，必須物理堆疊更多的激光發(fā)射器，這不僅導致成本呈線性增長，還增加了組裝標定的難度。

而半固態(tài)方案，尤其“芯片化收發(fā)組件”技術，可以將上百組激光通道集成在指甲蓋大小的芯片上，配合轉鏡進行掃描。這種從“離散元器件”向“大規(guī)模集成電路”的轉變，讓激光雷達的生產成本從數萬美元迅速降低到了幾百美元。

根據市場調研顯示，到2024年底，主流ADAS激光雷達的價格已經進入1000至1500元人民幣的價格區(qū)間，跌幅超過60%。這種成本紅利直接推動了激光雷達從30萬元以上的高端車向下滲透至15萬甚至10萬元左右的普及型車市。

市場格局與未來演進的深層邏輯

當前，激光雷達市場已經進入了從“選配”向“標配”轉型的關鍵窗口期。在2024年至2025年的市場競爭中，中國自主廠商如禾賽科技、華為、速騰（參數丨圖片）聚創(chuàng)等已經占據了全球主導地位。這種市場優(yōu)勢的背后，是半固態(tài)激光雷達在感知性能上的不斷突破。

現在的半固態(tài)雷達在10%反射率下的探測距離已經普遍超過200米，這意味著車輛在高速行駛時能提前更長時間識別出前方的事故車或散落物。此外，系統生成的點云密度也達到了百萬點級，能夠精確勾勒出遠處行人的輪廓，為智駕算法提供更可靠的數據支撐。

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在實際裝車案例中，不同車企對半固態(tài)方案的選擇也體現了其產品定位。理想L9采用了禾賽的一維轉鏡方案AT128，通過將其置于車頂，獲得了更開闊的視野和更好的防護性。而小鵬G9（2024款及更早的Max版本）則通過在保險杠兩側布置兩顆速騰聚創(chuàng)M1的雷達，實現了更大的水平視角覆蓋，甚至能夠應對復雜的十字路口博弈場景。這種靈活的布置方案正是半固態(tài)雷達相比于機械式雷達的一大優(yōu)勢。

未來，雖然純固態(tài)激光雷達（如OPA相控陣或Flash方案）由于沒有任何運動部件而具有極高的理論優(yōu)勢，但受限于技術成熟度和成本，短期內仍難以成為市場主力。目前的趨勢是“智駕平權”，即通過持續(xù)優(yōu)化半固態(tài)方案的成本和性能，讓激光雷達成為每輛新車的標配安全套件，因此在未來的很長一段時間內，半固態(tài)激光雷達或許依舊是主流。

最后的話

激光雷達的技術路線之爭已經從單純的“性能競賽”轉向了“工業(yè)化能力的較量”。半固態(tài)方案憑借其在量產成本、車規(guī)壽命和感知能力上的卓越平衡，已經成為了通往高階自動駕駛過程中最堅實的基石。

它不僅是硬件上的傳感器，更是軟件算法實現環(huán)境理解、預測和決策的核心物理邊界。隨著感知大模型和視覺語言動作模型（VLA）的普及，激光雷達提供的精確深度信息將作為“主動眼睛”，繼續(xù)守護著自動駕駛車輛的安全底線。在未來的三五年內，半固態(tài)激光雷達仍將是人類邁向全無人駕駛征途上不可替代的感知利器。