为什么车企都喜欢用半固态激光雷达？

[首发于智驾最前沿微信公众号]对于自动驾驶来说，激光雷达是非常重要的感知传感器，它通过发射激光束照向周围环境，然后接收这些光被物体反射回来的信号，计算出反射光从发射到返回的时间，就能知道物体离车有多远，还能判断形状和位置，从而在三维空间里画出车辆周围的“点云地图”。

图片源自：网络

这种地图信息对自动驾驶系统判断路况、避障和规划路径非常关键，它比摄像头更不容易受光线变化影响，也比毫米波雷达能提供更高分辨率的数据。激光雷达按内部扫描结构不同，可以分为好几类，今天主要和大家聊聊机械式机械激光雷达和半固态激光雷达。

机械式激光雷达是怎么工作的？

所谓机械式激光雷达，就是那种最早被大多数自动驾驶测试车采用、外形像小桶或者圆盘一样安装在车顶的激光雷达。这种设计的核心特点，就是让激光发射和接收模块随一个机械部件旋转起来。它里面有电机和转动装置，这些装置不断旋转光学部件，使激光束可以向360°方向将周围的环境“逐圈”扫过去。通过这样的旋转，就能捕获车辆周围所有方向的点云数据。

图片源自：网络

机械式激光雷达并非简单地向四周发射激光，而是通过机械结构使光束像扫描仪一样进行旋转。激光发射器、接收器或镜片会整体转动，并借助多线束或其它机械配合，实现水平方向360°的全景覆盖以及一定的垂直扫描范围。由于探测方向覆盖广泛，仅需单一设备即可感知车辆周围全环境，无需额外安装多个单元，同时能够获得较高的点云密度和测距精度。

这样的设计让激光雷达视野开阔、覆盖完整，而且数据精度相对较高，因此在很多高级自动驾驶原型车和早期无人车平台中，机械式激光雷达是最常见的解决方案。

但这样的设计也存在一定的问题，由于它依赖机械运动部件，电机、轴承和镜片一直转动，这些运动部件本身就是磨损件，在长期使用中可能因为震动、温度变化等因素出现故障，可靠性和寿命难以达到车规级几万小时甚至十万小时以上的标准。

由于机械式激光雷达的机械旋转结构需要一定空间，一般只有装在车顶才有足够的视野，这样不仅改变了整车外观，还影响车车辆空气动力学和整车设计。同时，机械式激光雷达复杂的机械结构很难做到低成本批量生产，这些问题使得机械式激光雷达并无优势。

半固态激光雷达是怎么工作的？

现阶段我们可以看到很多的搭载自动驾驶的车辆上使用的是半固态或固态激光雷达。所谓“半固态”，指的是它不像传统机械式激光雷达那样整个雷达都要机械旋转，而是把真正发射和接收光线的核心模块固定住，只让一些小的部件做机械运动。这样的设计使得它的运动部件相比传统机械雷达少得多，所以结构更简单、更稳定。

图片源自：网络

半固态激光雷达常见的一种实现是转镜结构，也就是说发射/接收模块本身不动，但配合一个小的机械镜子去改变激光束的方向，这样可以做到比纯固态更灵活的扫描，但运动量远小于整个模块旋转一圈。这种方式减少了机械部件的数量和运动范围，所以相比机械式激光雷达来说，它在成本、可靠性和封装体积上都有明显改善。

机械式和半固态激光雷达结构上的根本区别

机械式激光雷达是靠整个发射/接收模块的大范围机械旋转来实现全方位扫描，而半固态激光雷达是把发射/接收模块固定住，只通过小范围机械部件或镜面调整来控制激光方向。

在机械式激光雷达的设计中，激光发射器和接收器整体随着机械结构一起转动，整个设备需要承受高速转动带来的振动、摩擦和机械磨损。为了结构稳定，还需要额外的平衡结构、动力驱动和封装系统，这些都增加了设计难度、制造成本和车辆集成难度。

半固态激光雷达的设计核心是让感知组件保持静止，只有镜面或者微小机械结构负责引导激光束的方向。这样做的结果是机械部件少了很多，磨损点少了很多，整车集成也更容易，甚至可以做到隐藏式安装。

图片源自：网络

结构上的不同也意味着半固态激光雷达的制造过程更容易把关键部件做成模块化、标准化的元件，从而规模化量产。对于车企来说，这样的结构更有利于达到车规级可靠性标准，也更容易和整车的质保及维护体系匹配。

为什么车企更喜欢用半固态而不是机械式？

车企在为自动驾驶系统选择激光雷达时，会综合考虑性能、成本、可靠性和整车集成难度这几大因素。在自动驾驶原型车或试验车的阶段，机械式激光雷达凭借其全面覆盖和高精度，一度成为最容易实现整体感知能力的首要选择。但是随着产业化推进，其体积大、成本高、机械部件寿命有限等问题，使其很难大规模应用到车端

相比之下，半固态激光雷达更接地气。半固态的机械部件少，这也使得其可靠性更高。车辆在实际使用过程中会经历高温、低温、颠簸、震动、灰尘、潮湿等各种复杂环境。机械结构越复杂，越容易出现由于环境压力引起的损耗。在半固态设计里，由于机械运动减少，雷达整体更稳定，整车长时间运行的可靠性更好，也更有利于通过车规级认证。

激光雷达的成本一直是制约自动驾驶大规模应用的一个核心瓶颈。机械式雷达由于结构复杂，所有零部件都要复杂定制，还需要精密组装和校准。而半固态激光雷达相对结构简单一些，制造难度和材料成本都明显更低，这对追求更大销量、更低整车成本的车企来说是非常具有吸引力的。

图片源自：网络

此外，机械式激光雷达需要突出安装，很多时候我们都会看到其放在车顶上，这不仅影响车身线条，还可能增加空气阻力和风噪。半固态设计因为结构紧凑，可以虑嵌入式安装，不仅更美观，还能更好地隐藏和保护传感器，这对于量产车来说尤其重要。

现阶段，还有企业追求更远的目标，开始研究全固态激光雷达。这种设计将进一步减少机械障碍，完全依靠电子光学技术来控制激光方向，但目前全固态方案在视野覆盖、探测距离和制造工艺等方面存在诸多挑战。相比之下，半固态激光雷达因为已经在现有技术条件下兼顾了成本、可靠性和扫描能力，所以在短期内成为很多车企在自动驾驶量产车型上采用的主流选择。

车企选择半固态雷达，并不是因为它在所有指标上都比机械式好，而是在性能合理、成本可控、可靠性高、整车集成友好这些综合标准下最符合商业化生产要求。

最后的话

机械式激光雷达本质上是一种“用机械换视野”的方案。它通过持续、稳定的机械扫描，把有限数量的激光通道展开成完整的空间覆盖。正因为扫描路径和视场天然闭合，系统更容易获得均匀、稳定的点云分布，这对环境建模和目标检测是一个明显优势。但这种优势是建立在持续机械运动之上的，视野、精度和可靠性被紧紧绑定在结构复杂度之中。这也导致机械式激光雷达更像是一种工程上行得通、产品上难以使用的方案，这也是为什么半固态式激光雷达应用越来越多的原因。