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激光雷达（LiDAR）主要挑战

本文讨论目前激光雷达在汽车、机器人以及无人机等场景应用时面临的一些问题和挑战，包括成本、尺寸、系统复杂性、杂散反射、续航，以及安全性等方面。

成本​

一直以来，激光雷达的成本都是影响其广泛应用的关键因素。从最早的上万美元一颗，经过近十年的发展，激光雷达的价格已经下探到 1000 美元以内，但这个价格相对摄像头而言依然是相当高的价格。

不过高昂的成本有望进一步得到改善，例如速腾聚创（RoboSense）在2024年4月发布了一款新一代的超薄中长距激光雷达 MX，其参数包括 126 线（ROI 区域等效 251 线），最远探测距离 200 米，扫描范围 120°×25°，功率 10W，厚度 25mm。速腾计划在2025年上半年大规模量产这款激光雷达，并以 200 美元的价格实现量产，目标是在 20 万以下的车型中装配激光雷达。低成本的实现归功于数据处理的 SoC 芯片，这不仅减少了硬件成本，还减少了主板面积和功耗。

尺寸​

激光雷达的尺寸一直在往小型化方向发展，目前主流的几款激光雷达，例如速腾 M1 plus 的尺寸是 111 x 110 x 45 mm，禾赛 AT128 的尺寸是 137 x 112 x 48 mm。

激光雷达的尺寸减小可以有效降低成本和汽车风阻，并有助于在无人机和机器人领域的应用。

系统复杂性​

激光雷达是多学科融合的一个精密仪器，主要涉及“光机电软算”，即光学、机械结构、硬件电路、软件和算法，这也是激光雷达的系统复杂性高的根本原因。解决这些挑战需要跨学科的专业知识相互融合，不断地进行技术创新和优化。

具体来说，复杂性挑战主要来自于其内部组件的多样性、集成度以及与外部系统的交互，包括：

  1. 组件多样性：激光雷达系统通常包含多个精密的组件，如激光发射器、接收器、扫描机制、光学系统、信号处理单元和电源管理等。这些组件需要精确配合工作，以确保系统的整体性能。
  2. 集成度：随着对激光雷达尺寸和成本的要求越来越严格，如何将这些复杂的组件集成到一个紧凑的封装中，同时保持高性能和可靠性，是一个挑战。
  3. 扫描机制：激光雷达的扫描机制可以是机械的、光学的或固态的。每种扫描技术都有其优缺点，如机械扫描可能更成熟但体积较大，而固态扫描则更紧凑但技术挑战更大。
  4. 光学系统：光学系统的设计需要考虑光束的发散、聚焦和光学畸变等问题，以确保激光束能准确照射到目标并接收反射信号。
  5. 信号处理：激光雷达产生的数据量可能非常庞大，需要高效的信号处理算法来处理这些数据，提取有用的信息，并转化为用户可理解的格式。
  6. 同步与校准：在多激光雷达系统或与其他传感器集成时，同步和校准成为关键问题。系统需要能够精确地同步时间和校准不同传感器之间的数据。
  7. 软件和算法：激光雷达系统需要复杂的软件和算法来处理原始数据，包括数据融合、目标检测、跟踪和分类等。
  8. 环境适应性：激光雷达系统需要能够适应不同的环境条件，如温度变化、振动和冲击等，这要求系统设计具有鲁棒性。
  9. 互操作性：激光雷达系统可能需要与其他传感器系统（如摄像头、雷达、GPS等）协同工作，这要求它们之间具有良好的互操作性。
  10. 维护和可靠性：激光雷达系统需要定期维护以保持其性能，同时设计上需要考虑到长期的可靠性和耐用性。

抗干扰能力​

在复杂环境中，激光雷达需要具备较强的抗干扰能力，以确保在各种干扰下仍能正常工作。目前主要的挑战在于杂散反射和噪声干扰。

  • 杂散反射：激光雷达工作原理基于发射激光束并接收反射回来的激光束，用于测量物体的距离和位置。但是，当激光束到达目标物体后，不会完全聚焦回到激光雷达，而是会分散到各个不同的方向。这些被散射到非目标方向的光被称为杂散反射或散射光。如果其他源（该设备或其他设备发射的）的反射光进入了激光雷达的接收器，就可能导致杂散光干扰，影响测量的准确度。
  • 噪声：在激光雷达的信号传输过程中，会受到各种噪声的干扰。噪声可能来源于激光雷达自身的电子设备，例如接收器和转换器。此外，环境噪声也会对激光雷达产生影响，例如通过大气等介质传输时的衰减、天气条件（如雨、雾、雪）等。这些噪声会干扰激光的发射和接收，影响雷达的精确性和可靠性。

尽管通过改进设计和使用特殊滤波器或算法可以减少这些影响，但它们仍然是激光雷达面临的挑战。

续航​

激光雷达作为主动感应系统，通常需要较高的功率，并且需要持续工作以保证测量精度。这会导致电力消耗问题，尤其是在电池供电的设备上，如无人驾驶车辆和无人机。

高效的电源管理系统则可以提升激光雷达系统的能源效率，同时满足功率需求。

安全性​

目前激光雷达大多使用 905nm 和 1550nm 的激光，1550nm 的穿透能力相对 905nm 较弱。所有车载激光雷达供应商都宣传自己的产品属于 Class 1 激光等级，也就是说其功率和辐射强度远低于对人体眼睛造成伤害的阈值，即人眼安全。不过，如果使用不当仍然有可能会对人眼造成伤害。

提示

国际电工委员会标准（IEC 60825-1：2014），激光器的危险等级被划分为四类：Class 1 激光器无害，Class 4 激光器具有高危险性，Class 2 和 3 激光器分别具有低和中度危险性。

另外，激光雷达作为一种高精度的测量工具，在公共场域的大量使用，可能会引发有关个人隐私和数据安全的伦理问题。

其他问题​

除了上述提到的几个挑战外，激光雷达还可能面临以下一些重要问题：

  1. 技术成熟度：激光雷达技术仍在不断发展中，需要进一步提高其技术成熟度和可靠性，以满足不同应用场景的需求。
  2. 环境适应性：激光雷达在不同环境下的表现可能会有所差异，比如在雨雾天气或者强光条件下，其性能可能会受到影响。
  3. 数据解析和处理：随着激光雷达的分辨率提高，产生的数据量也会增加，这就需要更强大的数据处理能力和更高效的算法来解析和利用这些数据。
  4. 集成和兼容性：激光雷达需要与车辆或其他平台的其他传感器和系统兼容，并能够无缝集成，这在技术上是一个挑战。
  5. 法规和标准：激光雷达作为一种新兴技术，可能还没有统一的国际或国家标准，这可能会影响其在全球范围内的应用和推广。
  6. 市场接受度：消费者和企业对新技术的接受程度也是一个重要因素，激光雷达需要证明其在成本效益、安全性和性能上的优势，以获得市场的认可。
  7. 供应链和制造：随着激光雷达应用的增加，如何建立稳定的供应链和制造流程，以满足大规模生产的需求，也是一个挑战。