自动驾驶半固态激光雷达是如何工作的？

[首发于智驾最前沿微信公众号]自动驾驶技术的提升很大程度上取决于传感器技术的突破。作为自动驾驶感知层级的核心组件，激光雷达（LiDAR）一直被誉为车辆的“眼睛”。它能够通过发射激光束并接收反射信号，在极短的时间内构建出周围环境的高精度三维模型。在激光雷达的多种技术路线中，半固态激光雷达正逐渐取代传统的旋转机械式激光雷达，成为乘用车前装量产市场的主流选择。

从扫描原理看激光雷达的分类

激光雷达的工作原理是飞行时间法（ToF），即通过测量激光脉冲从发射到接触物体反射回来的时间差，来计算目标的距离。然而，单一的测距点无法构成完整的视觉，必须通过某种扫描机制让激光束覆盖整个视野。

ToF原理，图片源自：网络

根据这种扫描机制的差异，激光雷达可分为机械旋转式、半固态以及纯固态三种主流架构。

机械式激光雷达是该领域最早期的成熟方案。它是将激光发射器和接收器垂直排列成一个阵列，然后让整个模组在底座上进行360度物理旋转。

这种方案虽然能够实现全方位的环境感知，但由于内部包含大量精密的机械运动部件，不仅体积硕大、难以集成进车身，而且在长期高速旋转下的可靠性也难以满足车规级要求。

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半固态激光雷达的出现，正是为了在性能与车规可靠性之间寻找一个平衡点。与机械式雷达“全员运动”的思路不同，半固态雷达的核心收发组件是固定不动的，光束的指向改变依靠内部小型的光学扫描元件来完成。

这种设计极大地缩小了运动部件的质量和体积，使得雷达可以做得更加扁平化。目前，半固态方案主要细分为微机电系统（MEMS）、转镜式以及棱镜式三大流派，它们各自在光路操纵上有着独特的物理逻辑。

下表简要对比了不同激光雷达架构的核心特征：

特征

机械式激光雷达

半固态激光雷达

纯固态激光雷达

扫描方式

整体360°物理旋转

内部微小光学件运动，收发模组固定

无任何运动部件，电子控制或面阵成像

视野范围

360°水平全覆盖

通常为120°左右扇形区域

视场角受限，多用于近距离感知

体积与集成

体积大、多安装于车顶

体积小，可嵌入车头或挡风玻璃后

极小，易于隐形集成

可靠性

机械磨损大，寿命有限

较高，易通过车规测试

极高，属于半导体级别稳定性

成本现状

极高，难以大规模量产

适中，正快速下降，适合前装

研发难度极高，成本仍具挑战

半固态技术的核心流派，MEMS、转镜与棱镜

1）MEMS

在半固态激光雷达的细分路线中，MEMS微振镜技术被视为代表。MEMS方案的核心是一块直径仅为数毫米的硅基微反射镜，通过静电、电磁或压电驱动，使镜面在水平和垂直两个轴向上进行高频摆动。当激光打在这块不断摆动的镜子上时，微小的偏转角度就能将光束投射到前方宽广的区域。

这种方案的优势在于它极大地减少了激光器的数量，理论上仅需一组光源即可实现高分辨率扫描，显著降低了物料成本。此外，由于MEMS镜片是在硅基芯片上加工出来的，其生产过程具有很强的可扩展性，非常符合汽车工业大规模制造的逻辑。

当然，微振镜也存在物理局限，其镜面尺寸越小，能承载的激光功率就越低，进而限制了最远探测距离。为了克服这一短板，像是华为等厂商就采用了多线程微振镜技术，通过增加收发模组的数量来平衡探测精度与功率。

2）转镜式

转镜式激光雷达是目前量产车装机量最大、技术最稳健的方案之一。根据结构的不同，它可以进一步分为一维转镜和二维转镜。

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一维转镜方案让收发模组固定，通过一个旋转的多面棱镜在水平方向上反射激光。在这种架构中，扫描的线数直接取决于激光发射器的数量。像是禾赛科技的AT128产品就是典型的一维转镜方案，它通过在芯片上集成128组收发模组，配合转镜的水平扫描，实现了“真128线”点云效果。

二维转镜则更加复杂，其是由一个高速旋转的多边形转镜负责水平扫描，加上一个上下摆动的镜片负责垂直扫描。二维转镜方案的优势在于其光学效率高、散热能力强，且由于旋转部件的质心非常平衡，能够很好地应对车辆行驶中的剧烈震动。

3）棱镜式

棱镜式激光雷达（也称双楔形棱镜方案）是近年来由大疆旗下的览沃（Livox）主导推动并实现车规级量产的独特技术路线。其工作原理是利用两个相互独立旋转的棱镜，激光束在穿过这两个棱镜时会由于折射作用产生偏转。

控制两个棱镜的相对转速，可以让激光束在前方视场中画出类似“菊花瓣”的扫描轨迹。与传统行扫描方式不同，棱镜方案具有“非重复扫描”的特性。

这意味着，只要给予雷达足够的观测时间，其扫描点云就会随时间累积得越来越密集，几乎可以覆盖100%的视场，对检测静态小物体（如路上的雪糕筒或远处的行人）非常有效。

棱镜方案的另一个重要优势是结构极其简化，这使其在成本控制上极具竞争力，甚至能将激光雷达的价格压低至普通家用车可接受的水平。

结构变革带来的全方位提升

相较于传统的旋转式机械激光雷达，半固态激光雷达在汽车工业应用中展现出的提升是多维度的。

随着半固态激光雷达的出现，激光雷达的可靠性也发生了质变。在自动驾驶中，激光雷达必须能够在严苛的环境下稳定工作十年以上，经受住颠簸、极温、盐雾以及电磁干扰等环境。

机械式雷达由于整个模组都在旋转，其内部复杂的轴承和无线电力传输机构极易在长期震动中产生磨损和疲劳失效。而半固态方案将运动部件大幅简化并微小化，核心的光学收发单元是静止不动的。

以MEMS为例，其微米级的镜面质量极轻，在经历高重力加速度冲击（如30G以上的冲击测试）时，依然能保持结构的完整性和扫描的精确度。这种“化繁为简”的物理特性，使得半固态激光雷达更容易通过AEC-Q100等车规级认证。

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半固态激光雷达也让体积与集成度实现了跨越。对于乘用车而言，外观的美感和空气动力学性能至关重要。传统的机械式激光雷达由于需要360度环视，通常只能像个“大罐子”一样安装在车顶中央，这不仅增加了车辆的高度，还引入了额外的风噪和风阻，从而影响续航。

半固态激光雷达则只需要覆盖车辆前方120度左右的扇形核心感知区。得益于扁平化的设计，它可以轻易地隐藏在挡风玻璃上方、前保险杠侧面甚至是大灯组内部。这种“隐形成像”的能力，让自动驾驶汽车不再显得突兀，更容易被大众消费者所接受。

成本的断崖式下降更是半固态方案最核心的商业杀手锏。在机械式雷达时代，为了提高分辨率，必须物理堆叠更多的激光发射器，这不仅导致成本呈线性增长，还增加了组装标定的难度。

而半固态方案，尤其“芯片化收发组件”技术，可以将上百组激光通道集成在指甲盖大小的芯片上，配合转镜进行扫描。这种从“离散元器件”向“大规模集成电路”的转变，让激光雷达的生产成本从数万美元迅速降低到了几百美元。

根据市场调研显示，到2024年底，主流ADAS激光雷达的价格已经进入1000至1500元人民币的价格区间，跌幅超过60%。这种成本红利直接推动了激光雷达从30万元以上的高端车向下渗透至15万甚至10万元左右的普及型车市。

市场格局与未来演进的深层逻辑

当前，激光雷达市场已经进入了从“选配”向“标配”转型的关键窗口期。在2024年至2025年的市场竞争中，中国自主厂商如禾赛科技、华为、速腾聚创等已经占据了全球主导地位。这种市场优势的背后，是半固态激光雷达在感知性能上的不断突破。

现在的半固态雷达在10%反射率下的探测距离已经普遍超过200米，这意味着车辆在高速行驶时能提前更长时间识别出前方的事故车或散落物。此外，系统生成的点云密度也达到了百万点级，能够精确勾勒出远处行人的轮廓，为智驾算法提供更可靠的数据支撑。

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在实际装车案例中，不同车企对半固态方案的选择也体现了其产品定位。理想L9采用了禾赛的一维转镜方案AT128，通过将其置于车顶，获得了更开阔的视野和更好的防护性。而小鹏G9（2024款及更早的Max版本）则通过在保险杠两侧布置两颗速腾聚创M1的雷达，实现了更大的水平视角覆盖，甚至能够应对复杂的十字路口博弈场景。这种灵活的布置方案正是半固态雷达相比于机械式雷达的一大优势。

未来，虽然纯固态激光雷达（如OPA相控阵或Flash方案）由于没有任何运动部件而具有极高的理论优势，但受限于技术成熟度和成本，短期内仍难以成为市场主力。目前的趋势是“智驾平权”，即通过持续优化半固态方案的成本和性能，让激光雷达成为每辆新车的标配安全套件，因此在未来的很长一段时间内，半固态激光雷达或许依旧是主流。

最后的话

激光雷达的技术路线之争已经从单纯的“性能竞赛”转向了“工业化能力的较量”。半固态方案凭借其在量产成本、车规寿命和感知能力上的卓越平衡，已经成为了通往高阶自动驾驶过程中最坚实的基石。

它不仅是硬件上的传感器，更是软件算法实现环境理解、预测和决策的核心物理边界。随着感知大模型和视觉语言动作模型（VLA）的普及，激光雷达提供的精确深度信息将作为“主动眼睛”，继续守护着自动驾驶车辆的安全底线。在未来的三五年内，半固态激光雷达仍将是人类迈向全无人驾驶征途上不可替代的感知利器。