从自动驾驶到具身智能,激光雷达缘何一边被嫌弃,一边被追捧?
自从自动驾驶被提出,激光雷达就一直处于技术讨论的中央,虽然在自动驾驶技术发展过程中,也出现了关于纯视觉的讨论,但激光雷达依然是被很多厂商所采用。具身智能的出现,则再一次让激光雷达成为主要感知硬件,为何激光雷达一边在被嫌弃,但又一边被追捧?
激光雷达(LiDAR)其实是一种主动式传感器,通过发射激光束并接收其反射信号来感知周围环境距离。可以把它想象成黑暗中用闪光灯照物体并“听”回声定位,LiDAR发射光脉冲,然后记录激光从发出到被障碍物反射回来的时间间隔(飞行时间)。因为光速已知,时间越长,距离越远。就像蝙蝠发出超声波听回声定位一样,LiDAR发射的是光波。当前大多数车载LiDAR采用的“飞行时间法”(Time-of-Flight,ToF),也就是通过发射极短激光脉冲,测量脉冲返回所需时间即可算出距离。还有一种前沿技术是“调频连续波”(FMCW),它通过不断改变发射光的频率,不仅能算距离,还能直接测出物体相对速度(类似警用雷达测车速的原理)。两者各有优缺点,ToF响应速度快、精度高、应用成熟;FMCW抗干扰性好、可测速度,但技术更复杂、成本更高。
为了“看”到360°的视野,LiDAR要用不同方式扫描周围空间。目前的扫描方案主要分为机械旋转式、混合式和纯固态三大类。机械旋转式LiDAR(如早期Velodyne产品)由电机带动扫描单元旋转,实现全方位扫描,优点是角度覆盖全面,缺点则是体积大、重量重、寿命有限。混合式(半固态)LiDAR则只让部分光学部件运动,通过小范围移动的微镜(如MEMS振镜)或转镜,兼顾扫描速度与体积成本。纯固态LiDAR则完全没有活动部件,常见方案包括光学相控阵(OPA)和Flash(闪光)扫描,相控阵在单芯片上通过调节多束激光间的相位差来改变发射方向,无需机械运动;Flash则一次性发射一大片激光覆盖探测区域,再通过接收阵列一次性“拍照”整个场景。纯固态LiDAR内部没有任何运动部件,体积小、耐振性好,但目前技术要求高、尚在突破阶段。
激光雷达发展历程
激光雷达的应用始于激光发明后的20世纪60年代,并很快被应用于航空航天领域。70年代末的美国阿波罗15号月球任务就携带了激光高度计测距。然而直到80年代后期,LiDAR才开始在商业和科研领域普及,被应用到飞机和卫星对地形进行3D扫描测绘等场景中。进入21世纪,随着自动驾驶和机器人技术的兴起,LiDAR进入加速发展阶段。2005年,Velodyne公司推出了首款64线机械旋转式激光雷达,用于DARPA自动驾驶竞赛,其单台重量高达13公斤、售价约8万美元。虽然性能强劲,但如此高昂的成本和笨重的硬件也激发了业界对更小型固态LiDAR的需求。
2010年代可谓LiDAR技术的“战国时代”。2016年美国CES展会上,美国Quanergy公司发布了固态LiDAR原型S3(宣传成本仅200美元);两年后中国的速腾聚创(RoboSense)推出了第一代半固态LiDAR M1,先后在Lucid Air和小鹏G9等车型上使用,并连续两年获得CES创新大奖。这一时期出现了大量初创公司,有的前景光明(如速腾聚创)、有的因技术或资金问题黯然退场(如押注光学相控阵但量产受限的Quanergy)。总体来看,这十年LiDAR技术路线百花齐放,MEMS振镜、微型转镜、光学相控阵、Flash直发等等各领风骚,但真正能量产落地的产品主要集中在成熟路线或过渡方案上。
进入2020年代,自动驾驶商业化拉动了LiDAR需求暴增。据统计,自2018年以来全球已有约120款量产车型搭载了LiDAR。中国车企率先将LiDAR从高端扩展到普通乘用车,推动2024年ADAS市场规模同比增长68%。最新预测显示,2025年全球车规级LiDAR装车量将突破300万辆。中国厂商更是迅速崛起、批量化量产,2024年12月禾赛科技单月交付量首次突破10万台;速腾聚创2023年第四季度出货超过15万台,全年近25万台。市场研究报告指出,截至2024年,禾赛、速腾聚创、华为和图达通等四家中国企业已经控制了约88%的全球汽车级LiDAR市场份额。
激光雷达主要类型
按测距原理划分:飞行时间法(ToF) vs调频连续波(FMCW)
飞行时间法(ToF)是传统方法,发射极短激光脉冲并测量来回时间,计算距离,精度高、实现简单。调频连续波(FMCW)则让激光频率线性变化,测量信号频率偏移,直接算出距离和速度,类似警用雷达。目前车载LiDAR多采用ToF,部分系统在试验FMCW以获取更强抗干扰性及直接测速度的能力。
按扫描方式划分:机械旋转式vs 半固态 vs 全固态
机械旋转式LiDAR(如Velodyne早期产品)通过电机带动装置旋转,可360°扫描周围,角度覆盖广;但体积和重量大、易磨损。半固态(混合式)LiDAR仅让部分部件(如微型转镜或振镜)移动,既能保持高速扫描又大幅减小体积和成本。全固态LiDAR没有任何运动部件,通常采用MEMS微镜、光学相控阵(OPA)或Flash一次性发射整个场景的方式。OPA在单芯片上通过调节多个激光发射元件的相位来变换光束方向;Flash LiDAR则像给整个区域打一次“闪光灯”,一次性捕捉环境信息。严格意义上只有OPA、Flash及其改进版(二维可寻址闪光)才属于全固态LiDAR。
按应用场景划分:短距/中距/长距LiDAR
短距LiDAR通常指探测距离几十米、视场角宽广,用于覆盖车辆近距离盲区;中距LiDAR探测百米级,用于城市环境感知;长距LiDAR探测数百米甚至更远,常见于高速场景。不同设计通过激光功率、接收器灵敏度和镜头大小等因素来权衡探测距离和视场。随着激光器和探测芯片进步,这些分类在同一产品线中可以兼顾实现,如一套LiDAR可通过多层垂直激光源同时实现中长距探测需求。
性能参数
探测距离
与激光功率和目标反射率相关,现代汽车级LiDAR在理想条件下的远距可超过300米。955nm波长LiDAR常见于ADAS,成本低但距离有限;1550nm波长则能在雨雾中穿透更好、最长测距可达300米以上,但成本更高。
视场角(FOV)
旋转LiDAR可实现360°水平视角,垂直视角通常在30°~60°,视具体设计而定。全固态LiDAR由于无机械旋转,水平视角可设计为不连续的狭窄角度,多数覆盖正前方较宽的范围,用于前向感知。
角度分辨率与线数
水平角度分辨率受扫描频率影响,可以达到0.01°级;垂直分辨率取决于激光线数,常见16、32、64、128、192甚至更多线。线数越多,竖直方向的点云密度越高,能够采集更细腻的三维细节。
点云率
指单位时间内采集的点数量,现代LiDAR点云输出可达千万级点/秒。这一指标综合了线数、旋转速率等,直接关系到扫描更新率和环境重建精度。最新一代LiDAR分辨率高就可以达2,400万点/秒,极大提升了车辆对移动物体和复杂环境的感知能力。
测距精度
典型汽车LiDAR的距离精度可达厘米级(误差几厘米),这远优于视觉摄像头,满足安全预警所需。精度主要受激光脉冲宽度和时钟分辨率影响。
其它参数
包括激光安全等级(多为Class1级别,完全对人体安全)、功耗、寿命等。机械式LiDAR寿命通常数千小时,而固态LiDAR可达上万甚至十万小时。
激光雷达在自动驾驶与具身智能领域的应用
激光雷达在自动驾驶和智能机器人领域具有不可替代的价值。它可生成高精度的3D点云,用来识别障碍物、行人、道路标志等,并为路径规划提供基础数据。在高级驾驶辅助(ADAS)系统中,LiDAR常用于自动紧急制动(AEB)、前向碰撞预警(FCW)、自适应巡航(ACC)等功能,实现精准的距离监测和缓速减速。自2018年以来全球已有约120款量产车型搭载了LiDAR。特别是近年来中国厂商扩大了LiDAR在乘用车市场的应用范围,带动2024年ADAS领域LiDAR出货量同比增长68%。
在完全自动驾驶(Robotaxi)中,LiDAR更是核心传感器之一。由于其不受光照条件限制(夜间性能不变)且能实时提供高分辨率的立体场景,许多自动驾驶公司(如Waymo、百度Apollo)都在自动驾驶测试车上配备了多个LiDAR。业内普遍认为,要实现在城市复杂路况下的高阶自动驾驶,车辆往往需要布置多部LiDAR来覆盖全方位环境。
自动驾驶测试车配备了旋转激光雷达(顶部白色圆柱形)和摄像头。LiDAR生成的高密度点云帮助车辆“看”清前方和周围障碍物,实现全局环境感知
具身智能技术的快速发展,则让激光雷达需求更为火热。许多服务机器人、物流搬运机器人、清洁机器人(如扫地机器人)都采用LiDAR进行环境扫描和定位(SLAM),确保安全高效导航。速腾聚创指出,其产品已服务2800多家机器人客户,用在无人机航测、自动仓储、安防巡检等场景。随着成本持续下降和批量产能提升,LiDAR正从豪华车选装品向大众市场迈进。未来,LiDAR将与摄像头和毫米波雷达一起构建多传感器融合系统,通过数据深度学习提升感知能力,并扩展到更多应用场景如智慧城市、无人机测绘、自动化农业等。
中国主要激光雷达厂商发展概况
禾赛科技(Hesai)
成立于2014年,总部上海,是国内最早一批进入车载LiDAR领域的企业。2023年2月,禾赛在美国纳斯达克上市,成为“中国激光雷达第一股” 。公司产品线覆盖短中长距离LiDAR,广泛应用于ADAS和自动驾驶汽车。根据招股书数据显示,禾赛2019-2021年LiDAR出货分别为0.29万、0.42万和1.4万台;2022年其推出半固态AT128和补盲F系列后,全年销量猛增到8.04万台。2024年12月,禾赛单月交付量再次破10万台,成为全球首个月交付超过10万台的车载LiDAR公司。禾赛与20多家国内外整车厂深度合作(包括比亚迪、理想等),产品已定点数十款智能车型。值得一提的是,禾赛积极拓展海外市场,与奔驰、宝马等国际车厂也有合作。
速腾聚创(RoboSense)
2014年成立于深圳,以激光雷达和机器人感知技术为核心。公司官网称,速腾聚创已成为全球LiDAR市场占有率第一的企业,累计为2800多家机器人及相关产业客户和310多家整车厂提供传感器和解决方案。2025-08-04,速腾聚创在香港交易所主板成功上市,股票代码2498.HK。速腾聚创产品覆盖短距到长距,如机械旋转型M系列(M1/M2/MX等)和全固态E系列(E1/E2等)。公司2023年下半年业务爆发:2023年10月单月销量首次突破3万台,第四季度累销超过15万台,全年销量近25万台。速腾聚创还自研了车规级LiDAR专用SoC芯片和大面阵探测芯片,用于其全固态产品线,代表国产进步。
总的来看,中国厂商在激光雷达领域迅速崛起,已占据全球龙头地位。据市场分析,截至2024年,速腾聚创、华为、禾赛科技、图达通等四家中国厂商合计控制了约88%的全球车载LiDAR市场。随着量产规模扩大、成本下降,中国LiDAR企业的优势将愈发明显。未来几年,预计智能汽车将标配LiDAR,行业进入“批量生产时代”,相关技术也将不断优化升级,为自动驾驶和智能机器人开辟更广阔的应用前景。
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