激光雷達的過去、現(xiàn)在和未來

本文源自 微信公眾號“錦緞”。

不知不覺間，從1960年第一臺激光器到現(xiàn)在，六十年彈指一揮間，激光雷達從最初的遠程測距到眼科檢查，再到推動掃地機器人進入千家萬戶。自動駕駛時代的到來，激光雷達更是站到了舞臺的正中央。

在自動駕駛需求的推動下，激光雷達技術(shù)將出現(xiàn)指數(shù)性的進步。

誰也不知道將來會有什么樣的殺手級應(yīng)用。我們唯一能確定的就是，高性價比的激光雷達，將會提升我們感知這個世界的能力，讓這個世界變得更美好。

01 原理

所謂雷達，就是用電磁波探測目標(biāo)的電子設(shè)備。激光雷達，顧名思義就是以激光來探測目標(biāo)的雷達。

談到激光雷達，當(dāng)然首先離不開激光的歷史。

早在1916年，愛因斯坦就發(fā)現(xiàn)了激光的原理。簡單的說，就是原子中的電子從高能級落到低能級的時候，就會以光子的形式釋放能量。從某種意義上說，這可以理解成一種形式的“燃燒”。

理論上并不復(fù)雜，但第一臺真正意義上的激光器，卻要到1960年，也就是44年后才出現(xiàn)。因為這種形式的“燃燒”，需要的材料和觸發(fā)條件，都不好實現(xiàn)。

1960年7月，美國休斯實驗室的西奧多·梅曼，發(fā)明了人類歷史上第一臺激光器。為了達到“燃燒”所需要的條件，他用高強閃光燈管，來激發(fā)紅寶石，最終促成了真正意義上的激光的出現(xiàn)。

激光器發(fā)明后的第二年，也就是1961年，科學(xué)家們就提出了激光雷達的設(shè)想。因為激光跟雷達，處于同一個圖譜上，正常人都會往這邊想。

根據(jù)我們高中畢業(yè)之后僅剩不多的物理記憶，我們知道光速=3*108米/秒，我們還知道，無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線這些，本質(zhì)上都是一種電磁波，那么就有下面的公式：

波長*頻率=光速

波長越長，頻率越低，這兩者反方向變化。從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，波長越長，繞射的能力越強，但是因為頻率低，貫穿的能力就弱。

比如我們在北京，打開收音機就能聽到的北京交通廣播FM103. 9MHz，代表的就是波長約3米的電磁波（光速除以頻率就是波長），屬于短波電臺，傳播覆蓋區(qū)域一般，主要覆蓋北京；而中央人民廣播電臺的頻率是1.008MHz，波長就延伸到300米左右，繞射能力更強，可以對整個大中華地區(qū)進行廣播。

波長的另一個極端是X射線γ射線，傳播能力很弱，但貫穿力極強，X光射線可以用來做胸透，γ射線威力最大，可以直接殺傷細(xì)胞，通常用于工業(yè)探傷。

利益是最好的老師，一二次世界大戰(zhàn)催生了雷達的發(fā)明和快速進化，最早的雷達波長是23厘米，后來火控雷達出現(xiàn)，波長降到1-5厘米，一直到今天，該區(qū)段都是雷達波長的主流區(qū)域。

并不是所有的電磁波都可以產(chǎn)生激光。沿著電磁波的頻率圖往右走，與雷達波相鄰的紅外線、可見光和紫外線，都可以發(fā)出激光。既然我們用厘米波制作雷達，那么順理成章的激光也可以做雷達，這就是激光雷達的理論依據(jù)。

而且，雷達就是發(fā)出電磁波，同時接收反射回的電磁波，通過兩者的時間和波形變化來對周邊環(huán)境建模。激光雷達無非就是把原來的厘米波換成激光，各種算法都是現(xiàn)成的。

從這里你就可以發(fā)現(xiàn)，激光雷達的技術(shù)基本上就是從軍用雷達技術(shù)上平移過來的。沒有軍用雷達技術(shù)的國家，激光雷達技術(shù)必然也不會高，因為二者的原理和算法大差不差，沒有軍用雷達技術(shù)做底子，激光雷達想都不用想。

激光器已經(jīng)發(fā)明，雷達的算法都是現(xiàn)成的，我們看到了激光雷達摩拳擦掌，就要在這個世界大展拳腳了。

02 第一束光

凡事都怕但是。

稍有姿色，稍有才華，都是蠻尷尬的事情。會在無數(shù)個時刻，你站在一級臺階上，自以為窺見了天光。

激光雷達也是這樣。

直來直去的激光指向性強，在150米范圍內(nèi)可以很清晰的對外在環(huán)境進行二維和三維建模，但是超過300米以上，還有在大霧雨雪等極端天氣下，激光雷達就變得精確度感人。

所以，激光雷達很長一段時間，干的都是直來直去一竿子捅到底的活，那就是測距。1967年7月，美國人進行了第一次載人登月飛行，就在月球上安裝了一個發(fā)射裝置用于測算地球和月球的距離。

因為激光的特性，激光雷達發(fā)展了自己的副業(yè)，那就是在軍事上為炸彈定位。飛機發(fā)射激光照射目標(biāo)，同時投擲激光制導(dǎo)炸彈對準(zhǔn)目標(biāo)飛行，用激光隨時修正自己的飛行路線，精確度非常高。

激光制導(dǎo)炸彈最早亮相于1972年4月的越南戰(zhàn)爭，美軍用了七年，損失了十?dāng)?shù)架飛機，都沒有炸掉的清化大橋，僅僅經(jīng)過兩次轟炸，耗費20枚激光制導(dǎo)炸彈，就將清化大橋從地圖上抹掉。相對普通航彈，激光制導(dǎo)炸彈顯示了極高的費效比。

副業(yè)擠掉了主業(yè)，小三上位。但時間之長誰也想不到，這個副業(yè)，激光雷達一干就是二十多年。

我們常說，萬物皆有裂痕，那是光照進來的地方。

對激光雷達來說，漫漫黑夜里的第一束光，來自于意想不到的地方，那就是眼科。

很久以來，眼科醫(yī)生一直希望能對患者的眼球做一個清晰的三維模型，從中發(fā)現(xiàn)可能的病變。但是傳統(tǒng)的B超、X光都有自己的缺點。由于眼球本身的特殊結(jié)構(gòu)，從眼角膜一直到最后的視網(wǎng)膜，都是透明的，可見光可以無阻礙的進入。這就為激光雷達的使用奠定了基礎(chǔ)。

這個技術(shù)的名字聽起來讓人一頭霧水，叫光學(xué)相干斷層掃描，英文簡稱OCT，核心原理就是用激光雷達抵近患者眼球進行掃描建模。

第一臺OCT是由卡爾·蔡司公司在1997年推向市場的，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)進化到第3-5代，具體來說，就是利用波長從900納米到1325納米的紅外激光，對患者的眼球進行掃描，根據(jù)反射光線對眼球進行三維建模。

因為激光雷達對于近距離的物體掃描精度很高，因此這個應(yīng)用非常成功，在眼科的一線醫(yī)療上得到了迅速的普及，目前已經(jīng)成為眼科的常規(guī)檢查方式之一。

但OCT這個應(yīng)用畢竟很小眾，市場也不大，直到今天，中國OCT市場規(guī)模都不到10億人民幣這個數(shù)量級。激光雷達市場，迫切需要殺手級的應(yīng)用出現(xiàn)。

03 走入尋常百姓家

時間順流而下，又是十年過去了。

轉(zhuǎn)機出現(xiàn)在一個意想不到的小家電上，那就是現(xiàn)在已經(jīng)很常見的掃地機器人。

第一款真正意義上的掃地機器人其實在1996年就已經(jīng)出現(xiàn)了，伊萊克斯公司推出了世界第一款掃地機器人三葉蟲，價格昂貴，問題多多，面世之后市場一直反響平平，遠遠沒有達到可以量產(chǎn)的規(guī)模。

直到2002年，美國的軍用機器人公司iRobot嘗試將機器人技術(shù)與掃地功能相結(jié)合，第一款量產(chǎn)的掃地機器人Roomba 400就這么出現(xiàn)了。一經(jīng)投入市場之后即大受歡迎，當(dāng)年就銷售出去將近10萬臺。但哪怕是iRobot這種，在軍用機器人技術(shù)方面頂尖的老鳥，嘗試進入小家電這種民用產(chǎn)品時也是踩了不少坑。

雖然一開始推出的掃地機器人很受歡迎，但離大部分人認(rèn)為的“好用”，還有相當(dāng)?shù)木嚯x。最常見的抱怨就是，“經(jīng)常掃的地方來回走，有的地方又干脆不掃”，“我家的掃地機走位風(fēng)騷，撲朔迷離”。這造成了iRobot足足用了8年，年銷量才從2002年的10萬臺左右，提升到2010年的100萬臺。大量的掃地機器人買來之后就被放在墻角吃灰。

痛點就是需求，需求就意味著市場。為了解決機器人的掃地效率問題，2010年，Neato公司把激光雷達安在了掃地機器人上面，推出了Neato XV-11，這個革命性的突破，正式拉開了掃地機器人普及的序幕。

上面這個凸起，就是激光雷達。激光雷達通過一個可以360度旋轉(zhuǎn)的激光發(fā)射裝置對地面障礙物進行測距，從而完成地面建模，配合SLAM（simultaneous localization and mapping，同步定位與建圖）算法，可以實現(xiàn)對地面的“全局規(guī)劃式”清掃，首次實現(xiàn)了大部分人理解的“好用”。

以往的掃地機器人采取的是隨機式清掃模式，既然是隨機，那效率和結(jié)果當(dāng)然也是隨機的，正如上面左圖，存在著多處折返，還有盲區(qū)，效率比較低，而加裝了激光雷達采取了全局規(guī)劃式清掃模式后，不但不存在盲區(qū)，由于知道自己的位置，不會重復(fù)清掃，效率也大大提升，所用的時間大約只有隨機式清掃的四分之一左右。

Neato公司的獨創(chuàng)性除了把激光雷達安在掃地機器人上，最關(guān)鍵的突破是在量產(chǎn)上。當(dāng)時的激光雷達應(yīng)用很少，價格很高，一個激光雷達比一個掃地機器人還貴。Neato公司從簡單夠用出發(fā)，剔除一切不必要的結(jié)構(gòu)，將單個激光雷達的成本控制在30美元以內(nèi)，為激光雷達掃地機器人快速推廣做出了最重要的貢獻。

第一個吃螃蟹總是值得尊重，Neato公司的成功向大家展示了這個市場巨大的潛力和肉眼可見的突破門檻的路徑，各個企業(yè)一擁而上，各類創(chuàng)新層出不窮，掃地機器人這個果子，已經(jīng)熟透，可以摘了。

如果我們用今天的眼光來看，掃地機器人，就是低配版的自動駕駛。今天的掃地機器人，超聲波雷達、攝像頭、激光雷達都已經(jīng)出現(xiàn)，就連毫米波雷達，也已經(jīng)有廠商在導(dǎo)入。掃地機器人，跟自動駕駛，無非是路徑規(guī)劃的不同，要解決的問題都是一樣的。

04 自動駕駛時代

如果說掃地機器人讓激光雷達看到了黎明的希望，那自動駕駛，就是激光雷達冉冉升起的一輪朝陽。

自從1995年，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的兩名研究員初步實現(xiàn)了人類歷史上的第一次半自動駕駛之后，自動駕駛就一直作為美國頂級黑科技的代表，活躍在各類研究所和大學(xué)實驗室里。直到2014年10月，特斯拉(TSLA.US)推出了Autopilot，才正式拉開了自動駕駛產(chǎn)業(yè)化的序幕。

但激光雷達作為核心傳感器，在自動駕駛的出場，卻充滿爭議性。

自動駕駛剛剛嶄露頭角的2004年，現(xiàn)在自動駕駛所依賴的傳感器四件套——激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達、攝像頭都已經(jīng)出現(xiàn)。尤其是激光雷達，得到了廣泛的倚重，但激光雷達的爭議也最大。

因為現(xiàn)在自動駕駛的帶頭大哥，特斯拉從一開始就堅持不用激光雷達。甚至特斯拉的CEO埃隆·馬斯克在特斯拉自動駕駛開放日放言：“傻瓜才用激光雷達，任何依賴激光雷達的人都注定要失??！”

我們這里引用Michael Barnard 2016年7月寫的一篇博客的主要數(shù)據(jù)，來探究這場沖突的根源。

衡量自動駕駛傳感器的性能，總共有十個特征，這就是：近地探測、探測距離、分辨率、夜間工作能力、日間工作能力，雪/霧/雨工作能力、色彩對比度、探測速度、傳感器大小、傳感器成本。

如果用5分作為滿分，那激光雷達的只在夜間和日間工作能力這兩項上，做到了滿分。這兩項滿分的，除了激光雷達，超聲波雷達和毫米波雷達也都能做到，那為什么非要激光雷達呢？

特斯拉采用了視覺為主，超聲波雷達為輔的解決方案。一輛Model 3上，共有8個攝像頭，1個毫米波雷達，12個超聲波雷達，在這個組合下，從理論上說，如上圖，也能做到十個特征全部滿分。

當(dāng)然，激光雷達的并不是沒有用，同屬于光學(xué)傳感器，攝像頭和激光雷達在大雨雪霧等極端天氣肯定都無計可施，但是在清晰的環(huán)境下，激光雷達無論在白天還是黑夜，在中等距離，也就是150米左右，精確度要超過毫米波雷達。

自動駕駛作為新生事物，肯定需要足夠的技術(shù)冗余。既然是實驗室開發(fā)，技術(shù)路徑驗證，那一定是拿到所有技能點然后趕緊升級，因此所有幾乎所有的自動駕駛企業(yè)都選擇采用激光雷達。

可是特斯拉的自動駕駛路線貌似走得還不錯，所以現(xiàn)在自動駕駛企業(yè)都是兩頭下注，既有攝像頭為主的機器視覺團隊，也有專攻激光雷達的算法小組。

特斯拉給自己不用激光雷達的解釋是那個看上去煞有介事的第一性原理，“我在想存在一種好的思維框架……有點兒像第一原理推理（first principles reasoning）?？傮w來講，我認(rèn)為存在將事情縮減至其根本實質(zhì)”，意思是既然人類可以通過視覺加上聲學(xué)輔助實現(xiàn)了駕駛功能，那為什么我自動駕駛不能通過攝像頭也就是機器視覺實現(xiàn)呢？

當(dāng)然這話你聽聽就好，要是真信，那就太天真了。特斯拉不用激光雷達的原因只有一個，那就是太貴了。

這就不得不提到Velodyne(VLDR.US)，世界車載激光雷達的鼻祖，早在2007年美國國防部高級研究計劃局組織的無人車挑戰(zhàn)賽上，參賽的7只隊伍，就有6只安裝了公司的雷達，2009年谷歌開始自動駕駛項目，用的也是公司的激光雷達。

Velodyne主流的64線激光雷達，現(xiàn)在價格是8萬美元一臺，最高的時候賣到70萬人民幣一臺，您還別嫌貴，排隊半年起。2016年福特和百度(NASDAQ:BIDU)干脆投了1.5億美元給公司，就是為了能夠優(yōu)先拿到訂單，以至于很多風(fēng)投都以自己能拿到Velodyne激光雷達的貨作為自己投資自動駕駛企業(yè)的核心競爭力。

按照我們的理解，需求這么好，不是應(yīng)該趕緊擴大再生產(chǎn)，降低價格快速占領(lǐng)市場么？要不說Velodyne這個腦回路，跟我們普通人確實不太一樣。這公司在擴產(chǎn)上慢吞吞的，價格也一直高高在上，讓一眾自動駕駛初創(chuàng)企業(yè)心力交瘁又無可奈何.

2019年，Velodyne還發(fā)起了針對中國激光雷達公司禾賽科技的專利訴訟，禾賽科技一次性支付專利許可補償1.6億元，以及按年支付專利許可使用費直至2022年（約6000萬元）。這也直接導(dǎo)致了最近發(fā)生的，禾賽科技不得不撤回科創(chuàng)板IPO申請。

不是激光雷達不好用，而是實在用不起。2016年4月上市的特斯拉model3才賣3.5萬美元，自動駕駛的激光雷達比車還貴，這是買激光雷達送特斯拉么，整車廠費這么大勁結(jié)果為Velodyne打工，這也是為什么馬斯克一開始就定下了機器視覺也就是攝像頭路線。

因為馬斯克看到，在3-5年的中期，激光雷達不可能到自動駕駛大規(guī)模量產(chǎn)需要的價格，研究激光雷達就是浪費時間。

只要價格合適，馬斯克也一定會真香的。 那這個價格到底多少呢？業(yè)內(nèi)的估計是，4000塊人民幣一套是一個門檻，2000塊一套是大規(guī)模普及的時間。

這個數(shù)字怎么來的呢？我們現(xiàn)在常見的家用小轎車，一輛大約人民幣10萬左右，從合理的角度看，整個自動駕駛傳感器系統(tǒng)硬件的價格，不應(yīng)超過整車價格的4%，當(dāng)激光雷達的價格占到傳感器預(yù)算的100%時，可能會在部分豪華車型上普及，這個門檻就是4000人民幣一套，當(dāng)降到2000人民幣一套時，整個自動駕駛傳感器硬件的總價就會控制在4000人民幣左右，自動駕駛就迎來了大規(guī)模推廣期。

當(dāng)前的車載激光雷達路線，可以說是百花齊放、百家爭鳴，各種路線、各種思路都有人嘗試，但不管什么路線，誰能做到大規(guī)模量產(chǎn)，把價格降到可見的低位，誰就是最后的勝利者。

激光雷達總共有三個模塊，發(fā)射模塊、接收模塊和掃描模塊，一般來說會按照掃描模塊的不同掃描方式進行分類。

綜合車載激光雷達的各個路線來看，最早的機械式因為價格太高，可靠性低，做到車規(guī)級進行量產(chǎn)的概率基本沒有，已經(jīng)出局。剩下的半固態(tài)棱鏡式主要是大疆在做。目前最有可能短期進入量產(chǎn)的就是半固態(tài)的MEMS路線，在這個路線上，集中了現(xiàn)有的所有主流的車載激光雷達廠商，這也是華為的主戰(zhàn)場。

從理論上來說，最優(yōu)的方式當(dāng)然是固態(tài)OPA，為什么我們不能一步到位直接實現(xiàn)呢？

OPA跟相控陣?yán)走_用的是一個技術(shù)，我們一開始也說了，軍用雷達的很多技術(shù)算法都可以嫁接到激光雷達上，軍迷也都知道，美國F35戰(zhàn)斗機低配版用的AN/APG-83相控陣?yán)走_，一部大約520萬美元，對應(yīng)的中國的殲20戰(zhàn)機的雷達，造價也接近，在500萬美元量級。

如果固態(tài)OPA能夠做成，這相當(dāng)于把一部機載相控陣?yán)走_集成進一個小方塊里，您要能做到這，美國國防部都得跪。

如果說固態(tài)OPA路線雖然難還比較好理解，固態(tài)FLASH路線就很迷，以至于很多研究員不得不用“獨特”這個詞來形容產(chǎn)業(yè)界的腦回路。用拍照來建模，這個跟攝像頭的區(qū)別大么？激光的作用是什么？輔助攝像頭？

自動駕駛的應(yīng)用，是激光雷達今天最核心的領(lǐng)域，按照2030年全球4000萬套出貨量，每套2000元人民幣計算，這個市場的規(guī)模大約在800億人民幣左右。

市場并沒有想象的那么大，但激光雷達具有很強的外部性，像液晶屏幕一樣，當(dāng)激光雷達的價格下降性能穩(wěn)步提升時，會有更多的應(yīng)用領(lǐng)域被開發(fā)出來，市場也會呈現(xiàn)指數(shù)性的增長。

05 另一個戰(zhàn)場

車載應(yīng)用代表了當(dāng)前激光雷達技術(shù)的最前沿，下一波爆發(fā)的重點，是消費電子。

無論什么樣的創(chuàng)新，最終的定位無非就是兩個：要么以提升效率為手段降低運營成本，要么就是以模式創(chuàng)新為手段提升經(jīng)濟效益。從消費電子的角度，只能走的是模式創(chuàng)新，未來的方向是AR/VR，而激光雷達，就是實現(xiàn)這個路徑的必需的鑰匙。

消費電子第一個吃螃蟹的，不是蘋果(AAPL.US)，是我們的OPPO。

2018年8月，OPPO發(fā)布了最新的R17Pro手機，搭載了一顆TOF 3D立體攝像頭，其實就是一顆簡單的激光雷達。這顆激光雷達能夠?qū)崿F(xiàn)三維建模、測距以及AR尺子等功能，但是這種非剛需，沒有掀起什么水花。后續(xù)Vivo、華為、三星都推出了自己的帶有激光雷達的手機，同樣反響平平。

雖然這功能略顯雞肋，但蘋果也不能置之不理，人有我優(yōu)，2020年3月，蘋果在2020版iPad Pro上，也安裝了一顆激光雷達，即DTOF攝像頭，在車載激光雷達性能平平的一顆激光雷達。

不得不說，消費電子行業(yè)在營銷上就是做得好，把一種平平的技術(shù)說得那么的高大上，顯得自動駕駛企業(yè)都那么的直男。

蘋果用的激光雷達，就是我們上面提到的，讓人很迷的固定FLASH路線，發(fā)射激光的攝像頭。這么高集成度的激光雷達，這么迷的路線，精確度當(dāng)然不能要求太高，對于娛樂是第一生產(chǎn)力的蘋果來說，三維建模是通向未來的AR/VR的必須路徑，而激光雷達就是這么一個工具。

與天斗，其樂無窮，人類改造世界，首先是從認(rèn)識這個世界開始的。技術(shù)越來越進步的激光雷達，就是人類認(rèn)識這個世界的重要工具。

在消費電子領(lǐng)域，大疆把激光雷達安在了無人機上，用極低的成本，實現(xiàn)了人類對這個世界最初步的建模。

世界無人機領(lǐng)域的引領(lǐng)者，大疆自己推出了Livox激光雷達，整體價格不到1萬元人民幣。這是一款很有特色的產(chǎn)品，在前端用電機帶動的兩到三個棱鏡實現(xiàn)了非重復(fù)式掃描，成本控制優(yōu)秀，是一款解題思路非常出色的激光雷達。目前大疆的禪思L1無人機已經(jīng)應(yīng)用在了地形測繪、輸電線通道建模、農(nóng)林調(diào)查等實際應(yīng)用中。

“喜看稻菽千重浪，遍地英雄下夕煙”。當(dāng)今之世，數(shù)不清的資本，無數(shù)的人力、才華和智慧，都投入到小小的一方激光雷達上。無意之中，他們改變了這個世界，也照亮了我們的時代。

（智通財經(jīng)編輯：趙錦彬）