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雷射雷達(LiDAR)是目前正在改變世界的傳感器，它廣泛應用于自動駕駛汽車、無人機、自主機器人、衛星、火箭等。雷射通過測定傳感器發射器與目标物體之間的傳播距離（Time of Flight,TOF）(如圖1所示)，分析目标物體表面的反射能量大小、反射波譜的幅度、頻率和相位等資訊，輸出點雲，進而呈現出目标物精确的三維結構資訊。
圖1 雷射雷達測距及點雲
雷射雷達是由雷射發射單元和雷射接收單元組成，發射單元的工作方式是向外發射雷射束層，層數越多，精度也越高(如圖2所示)，不過這也意味着傳感器尺寸越大。發射單元将雷射發射出去後，當雷射遇到障礙物會反射，進而被接收器接收，接收器根據每束雷射發射和傳回的時間，建立一組點雲，高品質的雷射雷達，每秒最多可以發出200多束雷射。
圖2 不同雷射束形成的雷射點雲
對于雷射的波長，目前主要使用使用波長為905nm和1550nm的雷射發射器，波長為1550nm的光線不容易在人眼液體中傳輸。故1550nm可在保證安全的前提下大大提高發射功率。大功率能得到更遠的探測距離，長波長也能提高抗幹擾能力。但是1550nm雷射需使用InGaAs，目前量産困難。故目前更多使用Si材品質産905nm的LiDAR。通過限制功率和脈沖時間來保證安全性。
雷射雷達的結構
雷射雷達的關鍵部件按照信号處理的信号鍊包括控制硬體DSP（數字信号處理器）、雷射驅動、雷射發射發光二極管、發射光學鏡頭、接收光學鏡頭、APD（雪崩光學二極管）、TIA（可變跨導放大器）和探測器，如圖3所示。其中除了發射和接收光學鏡頭外，都是電子部件。随着半導體技術的快速演進，性能逐漸提升的同時成本迅速降低。但是光學元件和旋轉機械則占具了雷射雷達的大部分成本。
圖3 雷射雷達的關鍵部件
雷射雷達的種類
目前市面上有不同種類的雷射雷達，按驅動方式可分為機械式、MEMS、相控陣、泛光面陣式（FLASH）。
機械式
以Velodyne 2007年推出的64線雷達為例。它把64個雷射器垂直堆疊在一起，以20rpm速度旋轉。簡單了解就是通過旋轉将雷射點變成線，通過64線堆疊将線轉化為面，得到點雲資料擷取3D環境資訊。
機械式結構需要複雜的機械結構，同時點雲的測量又需要對安裝進行精确定位。考慮環境和老化的影響，平均的失效時間僅1000-3000小時，難以達到車廠最低13000小時的要求。且由于LiDAR安裝在車頂，民用領域需考慮外界養護的問題，如洗車的影響。是以機械式結構極大的限制了成本和應用推廣。
MEMS
MEMS雷射雷達利用微電子機械系統的技術驅動旋鏡，反射雷射束指向不同方向。
固态雷射雷達的優點包括了：資料采集速度快，分辨率高，對于溫度和振動的适應性強；通過波束控制，探測點（點雲）可以任意分布，例如在高速公路主要掃描前方遠處，對于側面稀疏掃描但并不完全忽略，在十字路口加強側面掃描。而隻能勻速旋轉的機械式雷射雷達是無法執行這種精細操作的。
典型應用有法雷奧SCALA雷射雷達。目前應用在奧迪A8(第一款L3級的自動駕駛車輛)。安裝在前保險杠位置，使用MEMS技術得到145°的掃描角度，80m的探測距離。
圖4 奧迪A8的雷射雷達
相控陣（OPA）
光相控陣雷達原理：主要利用光的幹涉原理。可以通過改變不同縫中入射光線的相位差即可改變光栅衍射後中央明紋（主瓣）的位置，如下圖所示。
圖5 相控陣雷達的原理
相控陣（OPA）的優缺點
優點：
結構簡單、尺寸小：由于不需要旋轉部件，可以大大壓縮雷達的結構和尺寸，提高使用壽命，并降低成本。
标定簡單：機械式雷射雷達由于光學結構固定，适配不同車輛往往需要精密調節其位置和角度，固态雷射雷達可以通過軟體進行調節，大大降低了标定的難度。
掃描速度快：不用受制于機械旋轉的速度和精度，光學相控陣的掃描速度取決于所用材料的電子學特性，一般都可以達到 MHz 量級。
掃描精度高：光學相控陣的掃描精度取決于控制電信号的精度，可以達到千分之一度量級以上。
可控性好：光學相控陣的光束指向完全由電信号控制，在允許的角度範圍内可以做到任意指向，可以在重點區域進行高密度的掃描。
多目标監控：一個相控陣面可以分割為多個小子產品，每個子產品分開控制即可同時鎖定監控多個目标。
缺點：
掃描角度有限：調節相位最多隻能讓中央明紋改變約±60°，實際做到 360°采集的話一般需要 6 個。
旁瓣問題：光栅衍射除了中央明紋外還會形成其他明紋，這一問題會讓雷射在最大功率方向以外形成旁瓣，分散雷射的能量。
加工難度高：光學相控陣要求陣列單元尺寸必須不大于半個波長，一般目前雷射雷達的工作波長均在 1 微米左右，故陣列單元的尺寸必須不大于 500nm。而且陣列密度越高，能量也越集中，這都提高了對加工精度的要求，需要一定的技術突破。
接收面大、信噪比差：傳統機械雷達隻需要很小的接收視窗，但固态雷射雷達卻需要一整個接收面，是以會引入較多的環境光噪聲，增加了掃描解析的難度。
泛光面陣式（FLASH）
泛光面陣式的原理類似TOF相機，也就是快閃，它不像MEMS或OPA的方案會去進行掃描，而是短時間直接發射出一大片覆寫探測區域的雷射，再以高度靈敏的接收器，來完成對環境周圍圖像的繪制。它運作起來更像攝像頭。雷射束會直接向各個方向漫射，是以隻要一次快閃就能照亮整個場景。随後，系統會利用微型傳感器陣列采集不同方向反射回來的雷射束。
圖6 泛光式雷射雷達
Flash LiDAR 的一大優勢是它能快速記錄整個場景，避免了掃描過程中目标或雷射雷達移動帶來的各種麻煩。目前的發展方向有2個，一種是蓋格模式APD的單光子計數型直接對光子計數生成數字圖像；一種是傳統的CMOS光強模拟采集得到強度圖，将強度圖轉化為距離資訊。
雷射雷達的資料傳輸
LiDAR由于資料量較大，目前的控制架構中，基本采用将每個光點的原始資料發回到中央控制器處理，是以通常會采用FlexRay或以太網此類高帶寬的網絡進行通訊。如法雷奧的SCALA在1代采用Flexray，2代則開始使用以太網。
LiDAR 通常從硬體層面支援授時，通常會提供支援三種時間同步接口。
以目前最普遍的旋轉式雷射雷達的資料為例，其資料為10hz，即LiDAR在0.1s時間内轉一圈，并将硬體得到的資料按照不同角度切成不同的packet，而每一個packet包含了目前扇區所有點的資料，包含每個點的時間戳，每個點的xyz資料，每個點的發射強度，每個點來自的雷射發射機的id等資訊。而如最新的Livox Horizon雷射雷達，也包含了多回波資訊及噪點資訊。
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