一、激光雷达诞生背景从早期人类在洞穴中绘制壁画开始，人们对如何真实地记录现实生活中的各种场景的追求便从未停止。
绘画在相当长的一段时间内，都是最重要的记录方式。
绘画这一艺术形式在文艺复兴时期达到顶峰。
（家人们，话说科普文章也能文艺起来了……）随着相机的发明，人们开始用相片记录美好事物，早期的相机是基于胶片冲印，直到柯达公司在1975年开发出世界上第一款数字照相机。
数码相机发明后，便一发不可收拾，技术更新迭代滔滔不绝，把相机的祖师爷柯达都迭代破产了…照相机等可以实现2D图像获取的设备仪器极大地满足了人们对图像记录的追求，但是实际的生活中，人们感兴趣的场景也包含三维（Three Dimension, 3D）信息，如距离、高度等信息。
下图给出了一个2D/3D成像的示意图。
可以看出2D强度图并不能给出物体表面的弯曲程度和立体信息。
因此可以实现3D成像的方案也是人们一直研究的方向。
在3D成像应用中，激光雷达（LiDAR, Light Detection And Ranging）成为目前最普遍也是最有前景的技术方案。
激光雷达技术（Light detection and ranging，LiDAR）起源于微波雷达技术（Radio detection and ranging，RADAR），是一种利用激光作为发射光源的主动探测及测距系统。
得益于激光的较短波长和出色的方向性、单色性等特点，激光雷达可以实现高精度、高距离分辨率、高角度分辨率的测量及成像。
二、激光雷达发展历程在1930年，来自爱尔兰的物理学家 Edward Hutchinson Synge提出了利用激光雷达测距的雏形。
他采用了一个具有非常小发射角的探照灯来实现远距离探测望远镜。
直到1960年，美国物理学家 Theodore Maiman制造了世界上第一台激光器。
随着激光器的诞生，在1962年，来自Hughes Aircraft公司的工程师 Rod Smith 发明了世界上第一款商用激光雷达 Colidar Mark II，并被应用于军事用途。
如下图所示，该团队将激光接收器和发射器放置在一个双管霰弹枪上，并将其他的电子设备放置在背包中。
该款LiDAR 在冷战时期被应用于当时的主战坦克 M60 的火控瞄准系统之中。
到了1968年，George D Hickman发明了用于海洋地形测量的激光雷达。
1969年，阿波罗 11号带着用于地月测距（Lunar Ranging Experiment）的激光雷达设备登陆月球，人类第一次可以精确测量地球到月球的距离。
该实验具有极大的军事和商业价值。
下图分别显示了阿波罗地月测距实验的地面发射站和与月球上放置的反射器。
反射器被用来当作一个月球表面的基准点。
发射站通过发射窄脉冲激光束来测量地月距离。
2000年3月，由来自德州大学奥斯汀分校的James Gibeaut领导的团队采用自研的激光雷达在洪都拉斯的海岸上空进行地形测绘，评估“米奇” 飓风带来的影响。
下图是 Gibeaut 团队采用激光雷达完成的测绘地形图。
三、激光雷达芯片技术发展早期的激光雷达是基于分立元件的。
分立元件的最大问题在于集成度较低，因此由分立器件构建的激光雷达系统通常具有体积大、可靠性低、价格昂贵等缺点。
提高激光雷达的集成度，首先就要从光电转换器件考虑。
随着集成电路制造工艺的发展，功能多样的后端处理电路也可以通过半导体器件实现。
这使得将光电器件与后端处理电路集成在单颗芯片上成为可能。
根据工作模式的不同，光电二极管被分为传统光电二极管和雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode, APD）。
其中APD 具有较高的增益，因此更适合于LiDAR 应用（通常需要相对较远的探测距离）。
APD又可以被分为线性APD和盖革模式APD两种。
其中盖格模式 APD 可以实现单光子水平检测，又被称为单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode, SPAD）。
理论上来说线性APD和SPAD都可以实现全集成雷达，但是至今没有出现可大规模集成的 APD阵列。
这是因为阵列化APD的一致性很难保证。
当前市场上的商用APD都是基于分立器件，因此无法实现单片全集成。
下图给出了 Hamamatsu 公司的商用化APD系列器件。
独立的封装使得其无法实现大规模集成，因此无法用于全集成激光雷达。
相应的SPAD 器件的特性与光电倍增管类似，具有较高的增益，可以达到单光子探测水平。
其输出信号是数字化的信号，可以实现优异的一致性。
光电倍增管作为一种高性能的光电转换器件在早些年被广泛的应用于激光雷达应用中。
光电倍增管是一种由玻璃封装的真空装置，通常由一个阴极和若干个二次发射极和一个阳级构成。
当一定光子照射到阴极时，由于光电效应，阴极会发射光生电子。
这些电子会被加速发射向一些被称为二次发射极的附加电极并产生新的电子。
这种级联效应会使的每个入射的光子都会产生10E5到 10E7个电子。
这种放大效应取决于二次发射极的个数和加速电压的大小。
光电倍增管具有噪声小，动态范围大以及增益高等优点。
但是过大的体积和过高的工作电压使得其不适应于全集成激光雷达方案。
下图是来自 Licel 公司的一款基于光电倍增管的激光雷达探测器。
该探测器的工作电压高达1000V。
在学术界，早在 2005 年，来自瑞士洛桑理工大学的 Cristiano Niclass 等人首次在标准0.8mm CMOS工艺上实现了大规模SPAD像素阵列，其像素规模达到了32´32。
下图显示了该 SPAD 芯片照片和像素照片，图中（a）为芯片照片（b）为像素照片。
从其像素照片可以看出像素中包含了由5个CMOS 晶体管构成的简单的处理电路。
虽然该芯片的内部电路处理电路只能完成淬火等简单的功能，仍然需要将信号输出到芯片外，并由片外的时间数字转化器完成测距等更加复杂的信号处理。
但是该项工作验证了全集成的可行性。
在 2008 年， Niclass 等人又发表了首个基于 SPAD 的全集成 LiDAR 传感器芯片。
该芯片采用的是0.35mm 高压 CMOS 工艺。
下图为该 LiDAR 传感器的芯片照片和成像效果。
从图（a）中可以看出该传感器芯片集成了32路并行，精度为97ps的时间数字转换器（Time to Digital Converter, TDC）和速度高达6.4Gb/s的数据接口。
图（b）为视场角 30 度情况下的一个距传感器 1m 的模特的 3D 成像效果。
由于其极高的空间分辨率和时间分辨率，模特的五官特征都可以清晰地分辨出来。
近些年来随着 CMOS 工艺节点的进步，SPAD 激光雷达传感器的空间分辨率（像素数目）不断提高，支持的模式和功能不断增加。
这是当前基于 SPAD的激光雷达的两个主要研究目标，即实现更高的像素数目，支持更多功能以及适应于更多应用场合。
2019 年12月来自日本佳能的 Kazuhiro Morimoto 和来自瑞士洛桑理工的科研工作者合作采用 0.18mm CIS 工艺实现了世界上首款像素数目达到 1M 的 SPAD 激光雷达。
这是目前为止，世界上像素数目最多的 SPAD 激光雷达。
该像素采用了极为简单的像素内电路。
如图所示，该激光雷达由两种像素构成，两种像素内部的晶体管数目分别为 7 个（pixel A）和 5.75 个（pixel B）。
Pixel B 中的处理电路被相邻两个像素共用。
两种像素的尺寸仅为 9.4um，因此即使像素数目巨大，整体芯片尺寸仅为 11mm11mm。
2019 年来自英国爱丁堡大学的 Sam.W.Hutchings 等人发布了一款基于 3D 堆叠的 SPAD 激光雷达。
该团队采用 90nm CMOS 工艺设计优化了 SPAD 器件，采用先进 的 40nm 工艺实现后端处理电路，集成了更多的元件（每个像素内包含了1个多事件 TDC 和16个14 位计数器）。
SPAD 器件芯片和处理电路芯片通过混合键合的封装技术（hybrid bonding）连接在一起。
由于具有丰富的处理电路资源，该芯片支持单光子计数、高动态范围计数、多事件直方图统计以及首个光子计时等多种工作模式，可以应用于 2D 成像、直接飞行时间（Direct Time of Flight, dTOF），间接飞行时间（Indirect Time of Flight, iTOF）以及荧光寿命检测等多种应用场合。
通过上述发展趋势，可以看出基于SPAD的雷达传感器的像素数目也符合摩尔定律。
四、激光雷达在无人驾驶中的应用随着半导体技术、软件基础、人工智能技术的发展以及各国政策的驱动，自动驾驶技术成为了各国汽车行业、人工智能公司研究的重点。
目前具有代表性的国外自动驾驶公司有特斯拉、谷歌、通用、奥迪等；国内自动驾驶技术起步较晚，但在社会需求和国家政策的驱动下得到了快速发展，目前具有代表性的有百度的 Apollo 计划、华为与北汽推出的极狐 ARCFOX以及小米等， 还有包括一汽、小鹏、蔚来等许多汽车厂商也开始布局自动驾驶。
按照自动驾驶的介入程度，自动驾驶等级被分为 L0-L5，从完全人类驾驶、机器辅助驾驶、部分自动驾驶、有条件自动驾驶、高度自动驾驶到完全自动驾驶。
目前，大多数自动驾驶汽车处于L2或L3级别，距离实现L5级别的完全自动驾驶尚需时日。
在自动驾驶的核心技术中，环境感知模块是最重要的技术之一，它可以为自动驾驶技术提供包括人、车辆、障碍物等环境信息，是自动驾驶技术的“眼睛”，环境信息的准确与自动驾驶的安全性直接相关。
在自动驾驶技术中，用于环境感知模块的方案主要包括：摄像头、毫米波雷达、激光雷达等。
其中：摄像头可以提供较为丰富的物体纹理以及颜色等信息，并且相关技术成熟，成本较低，是目前应用较为广泛的方式，例如特斯拉采用的就是这种方案。
但是摄像头存在一定缺陷，由于采用的是图像分析的方式，其对于距离的感知能力较弱，成像效果受到光照条件的影响；除此之外，摄像头还存在着容易被“误导”、 “欺骗”等问题。
毫米波雷达的原理与激光雷达相似，其优点在于抗干扰能力强，能够在恶劣的环境下工作，并且可以实现对目标距离和速度的测量。
缺点则在于分辨率较低，难以区分靠近或重叠的目标，并且对于静止的物体识别能力有限。
激光雷达作为主动探测方式，可以实现全时段工作，不受环境光影响，并且激光雷达测距精度更高，能够为汽车提供丰富、准确、可靠的三维环境数据，结合调频连续波等测距原理还可以实现对物体的实时测速。
下表为摄像头、毫米波雷达、激光雷达三条技术路线的优缺点对比。
鉴于激光雷达优秀的特性，激光雷达已经成为L2、L3级自动驾驶技术的重要组成部件。
目前，许多汽车厂商宣布推出了搭载激光雷达的量产车型，例如蔚来ET7、小鹏P5、极狐、宝马iX、奥迪A8等。
可见，激光雷达将成为未来自动驾驶技术必备的核心部件。
对于汽车领域而言，在 2017 年，Velodyne 公司发布了一款名叫 HDL-64E的车载激光雷达，可以用于障碍物探测、车辆导航等应用。
该激光雷达采用机械扫描式的成像方式，共有 64 个探测通道（64 个激光光源+64 个光电传感器），探测距离高达120m，具有 360 度的视场角。
整机的重量为 12.7kg。
下图为 HDL-64E 的整机和内部结构的照片，可以清晰地看到内部的机械旋转单元和多块电路版。
2020 年，Ouster 公司发布了一款名叫 OS2-128 的 128 线扫描式激光雷达，将一个集成了 128 个激光发射器的激光光源芯片和一个集成了 128 个探测器（SPAD）芯片组装在一个单板上。
该激光雷达可以实现 240m 的探测范围。
整机的重量仅为 930g。
其尺寸与重量远小于 Velodyne 的 HDL-64E。
可见车载激光雷达也逐步往高集成度的方向发展。
下图为 OS2-128 的整机照片和内部结构示意图。
在 2018 年，奥迪公司在其奥迪 A8 系列汽车上采用了来自 Valeo 公司的激光雷达 Scala1。
这是一款基于机械旋转扫描的直接飞行时间激光雷达。
整机被放置在汽车引擎盖下方。
这款激光雷达是第一款直接被汽车厂商采用的激光雷达。
五、激光雷达扫描方式分类激光雷达的光束扫描方式，按照是否包含机械部件可分为：机械式扫描、混合固态式扫描及全固态式扫描。
目前，商用激光雷达普遍使用机械式扫描方式，即利用旋转的机械部件（如反射镜、棱镜等）控制光束扫描方向，实现较大范围的视场角，导致机械式激光雷达存在体积大、质量重、功耗高、可靠性差、成本高等诸多缺陷。
混合固态式激光雷达包括微机电系统（Microelectromechanical Systems，MEMS）式及棱镜式。
MEMS 激光雷达是利用尺寸较小的机电器件代替较大的机械扫描器件带动内置反射镜的倾斜角度变化从而实现对入射光束指向角度的改变，实现激光光束对场景的扫描。
MEMS激光雷达中仍然有移动部件，因此被分类为混合固态式激光雷达，常见的 MEMS 式激光雷达的驱动方式包括静电、电磁、压电和电热驱动等。
MEMS式激光雷达一定程度上克服了传统机械式激光雷达存在的缺点，具有体积小、功耗低、易于集成等优势，但仍然存在扫描角度和扫描精度比较受限的问题。
相较于机械式激光雷达与混合固态式激光雷达，全固态式激光雷达彻底抛弃了机械部件，解决了体积大、稳定性差等问题，因此被认为是激光雷达发展的必然趋势。
全固态激光雷达主要分为闪光（Flash）式和光学相控阵式，Flash式激光雷达的原理类似于闪光式相机，在短时间内向待测空间内发射大面积的激光信号，并由灵敏度较高的探测器接收待测目标反射的回波信号，进而实现对待测场景的成像。
如图（d），Flash式激光雷达将发出的激光信号散布在整个视场范围内，这意味着其探测视场越大，等量的功率所需覆盖的面积越大，激光的平均功率密度越低，探测距离越短，探测精度越低。
另一种全固态激光雷达。
OPA(相控阵)式激光雷达是典型的“芯片式”激光雷达，具有体积小、功耗低、可靠性高等诸多优势。
以波导型光学相控阵为例，其原理是通过控制不同波导之间的相位差改变衍射光干涉增强的方向，进而实现光束的转向和扫描。
相较于 Flash 式激光雷达，激光更集中于部分区域甚至一个“点”上，平均功率密度更高，探测距离更远，探测精度更高。
同时由于其采用互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）技术制作，便于与激光器等部件进行片上集成，是实现全固态、低成本、高可靠性激光雷达的最佳技术路线。
下表中为常见激光雷达光束扫描方式对比，OPA 相较于其他扫描方式在扫描精度、体积、成本、可靠性等方面都有较大优势，因此 OPA 成为了激光雷达领域的研究热点，被誉为最有发展前景的激光雷达技术。
基于机械旋转扫描的激光雷达存在可靠性等问题，即在长期运转过程中机械的精度和可靠性都得不到保证。
因此，未来的车载激光雷达也会向非机械旋转的激光雷达方案发展。
六、结论我国在激光雷达方面的研究起步较晚，光电传感器件和相关的集成电路设计技术相对薄弱。
当前，国内的激光雷达研究主要集中在基于分立的光学器件和数据采集器的方案。
国内的长春光机所、东南大学以及哈尔滨工业大学等院校和科研机构也在激光雷达方面取得了一定的成果。
参考文献：(1)胡进 高精度全集成激光雷达传感器芯片关键技术研究[D].(2)张明时 相位调制连续波光学相控阵激光雷达关键技术研究[D].(3)刘小斌 新型锗硅雪崩光电二极管芯片的研制[D].