當(dāng)激光雷達(dá)成為機(jī)器的數(shù)字瞳孔

從納米級(jí)的芯片到浩瀚的太空，

激光雷達(dá)已經(jīng)開始重新定義“看見”的維度。

夏日微風(fēng)吹拂下的武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋上，一輛無人駕駛出租車“蘿卜快跑”正以60公里時(shí)速靈巧穿行于即將橫跨萬(wàn)里長(zhǎng)江的車流中，車頂?shù)膱A柱體裝置以每秒百萬(wàn)次的頻率向四周發(fā)射著看不見的激光束，實(shí)時(shí)構(gòu)建出厘米級(jí)精度的三維點(diǎn)云地圖——這便是被譽(yù)為“自動(dòng)駕駛眼睛”的激光雷達(dá)，其正在用硬核實(shí)力書寫新的工業(yè)傳奇。

從南極大陸拉斯曼丘陵的南極中山站，到河南南陽(yáng)古城遺址的考古現(xiàn)場(chǎng)；從遨游于深海進(jìn)行海底管線巡檢的探測(cè)機(jī)器人，到距地390公里的天宮二號(hào)與神舟飛船的自主交會(huì)對(duì)接。這場(chǎng)由激光雷達(dá)引發(fā)的感知變革，正將機(jī)器的視野擴(kuò)展到前所未有的精度與廣度。

一

從實(shí)驗(yàn)室的新發(fā)現(xiàn)到汽車產(chǎn)業(yè)的熱寵

在汽車智能化時(shí)代，只要提到智能駕駛，人們都禁不住聯(lián)想到激光雷達(dá)、攝像頭、毫米波雷達(dá)等在內(nèi)的眾多傳感器。但是在60多年前激光雷達(dá)誕生之時(shí)，人們還完全沒有意識(shí)到激光雷達(dá)居然還能被用于汽車駕駛上，因?yàn)椋钤鐗焊筒皇怯糜跈C(jī)器視覺的。

激光雷達(dá)（LiDAR），從字面上理解就是通過光束進(jìn)行探測(cè)和測(cè)距，從而獲得被測(cè)物的距離、方位、速度、高度等測(cè)量信息，它的出現(xiàn)可以說是激光技術(shù)在測(cè)量領(lǐng)域中最成功的應(yīng)用之一。

1960年5月16日，休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼正在提高盤繞在紅寶石棒外螺旋閃光燈的電壓，一束炫目的光脈沖強(qiáng)得讓她難以睜眼，由此誕生了世界上首臺(tái)紅寶石激光器，自此也拉開了激光技術(shù)應(yīng)用的序幕。在隨后的數(shù)十年時(shí)間里，激光雷達(dá)的應(yīng)用場(chǎng)景主要涉及通過激光進(jìn)行云層高度、大氣污染物等環(huán)境參數(shù)的氣象探測(cè)，地月距離精確測(cè)量的航空領(lǐng)域，遠(yuǎn)距離軍事測(cè)距、導(dǎo)彈追蹤等軍事應(yīng)用，以及地形勘測(cè)、橋梁隧道等三維建模等工程應(yīng)用。

這些場(chǎng)景和普通消費(fèi)者似乎沒有什么交集，直到2004年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）發(fā)起了全球首場(chǎng)無人駕駛沙漠挑戰(zhàn)賽，首次將單線激光雷達(dá)引入自動(dòng)駕駛領(lǐng)域。雖然當(dāng)時(shí)沒有一支車隊(duì)完成比賽，但第一次讓人直觀地認(rèn)識(shí)到激光雷達(dá)在環(huán)境感知上的應(yīng)用潛力。

轉(zhuǎn)機(jī)很快出現(xiàn)了，在2007年舉辦的第三屆無人駕駛沙漠挑戰(zhàn)賽上，一家名為Velodyne的公司率先推出了64線機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)，并成為比賽供應(yīng)商，這一年在完賽的6支隊(duì)伍中就有5支搭載了該公司生產(chǎn)的激光雷達(dá)，Velodyne自此一戰(zhàn)成名，奠定了多線激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛中的核心地位。

早期DARPA無人駕駛賽上搭載機(jī)械式激光雷達(dá)的參賽車。

彼時(shí)單臺(tái)激光雷達(dá)的重量高達(dá)13公斤、售價(jià)約8萬(wàn)美元，讓不少汽車廠商望而卻步。經(jīng)過這些年的技術(shù)演進(jìn)，車載激光雷達(dá)價(jià)格已從最開始的近10萬(wàn)美元下探至200美元區(qū)間，產(chǎn)品厚度也從最初的近30厘米壓縮了近九成，重量更是從10多公斤壓縮到僅僅幾百克。據(jù)研究機(jī)構(gòu)Yole發(fā)布的年度報(bào)告顯示，2024年全球銷售了170多萬(wàn)顆激光雷達(dá)產(chǎn)品，激光雷達(dá)越來越普惠親民，逐漸“飛入尋常百姓家”。

二

激光雷達(dá)的三大核心突破

作為動(dòng)態(tài)感知的眼睛，掃描組件是激光雷達(dá)中改變光束方向的核心器件，決定了這雙眼睛能看多寬的視野，可以想象下無數(shù)如螢火蟲般的光點(diǎn)在黑暗中精準(zhǔn)標(biāo)記出它們碰到物體表面的場(chǎng)景。從最開始的360°旋轉(zhuǎn)的大“糖果罐”外觀的機(jī)械旋轉(zhuǎn)式，到微振鏡的芯片級(jí)半固態(tài)方案，再到完全無活動(dòng)機(jī)械件的固態(tài)相控陣和面陣閃光型的純固態(tài)架構(gòu)，掃描組件正在實(shí)現(xiàn)著體積越做越小、成本越做越低的技術(shù)跨越。像無人出租車頂上的罐形激光雷達(dá)就是基于機(jī)械旋轉(zhuǎn)式的，其發(fā)展最為成熟，但存在成本高、體積大、調(diào)試裝配復(fù)雜、可靠性低等特點(diǎn)。

而目前主流車企在智能輔助駕駛方案上紛紛采用半固態(tài)激光雷達(dá)作為核心傳感器，其在體積、功耗和生產(chǎn)成本上顯著優(yōu)于機(jī)械式，也更易于車規(guī)級(jí)認(rèn)證，2025年7月24日上市的零跑B01就搭載了一顆禾賽科技的128線激光雷達(dá)，一舉使得B01成為市面上最便宜的激光雷達(dá)車型，一時(shí)間在汽車圈吸引了極大關(guān)注。當(dāng)前隨著硅基光電子集成技術(shù)的加速成熟，在一個(gè)芯片上可以集成成千上萬(wàn)個(gè)光電子器件，或?yàn)槲磥泶笠?guī)模量產(chǎn)的固態(tài)相控陣激光雷達(dá)提供更多落地的可能。

作為距離感知的底層核心，測(cè)距原理是激光雷達(dá)進(jìn)行感知的基石。就如蝙蝠發(fā)出聲波并計(jì)算回聲返回時(shí)間來確定昆蟲的距離一樣，目前激光雷達(dá)主流測(cè)距技術(shù)采用時(shí)間飛行法（以下簡(jiǎn)稱TOF），在光束傳輸速度已知的條件下，通過“掐秒表”精確計(jì)算光束在空中傳輸?shù)臅r(shí)間從而獲得距離信息，它能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)射大量脈沖光束，保證對(duì)周圍環(huán)境的快速掃描，同時(shí)測(cè)量精度高，而且技術(shù)成熟度最高、成本最低。

目前市面上絕大多數(shù)的激光雷達(dá)都屬于TOF類型，但它也存在不能直接獲取速度信息，易受雨雪天氣和陽(yáng)光、車燈、其他激光雷達(dá)等雜散光干擾，發(fā)射光脈沖的功率高易造成人眼不安全以及回波信號(hào)對(duì)探測(cè)器要求高等問題。

除了TOF路線，另一條路線就是頻率調(diào)制連續(xù)波（以下簡(jiǎn)稱 FMCW）。如果說TOF是通過時(shí)間測(cè)量距離，那么FMCW則是通過頻率測(cè)量距離，它通過比較發(fā)射和接收信號(hào)之間的“音調(diào)”高低來計(jì)算目標(biāo)的距離和速度，就如一輛迎面而來鳴笛的警車我們會(huì)感受到音調(diào)變高，而遠(yuǎn)離時(shí)則音調(diào)變低。因此，這種發(fā)射頻率經(jīng)過特殊調(diào)制的“音調(diào)”的方案使得其具有無與倫比的天然優(yōu)勢(shì)，即直接獲取更多一維的速度信息，正因?yàn)檫@種特性，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)也被稱為4D激光雷達(dá)，從而為決策端提供更多額外信息以便于做出更合理高效的決定。

此外，獨(dú)特的測(cè)距原理還賦予它更強(qiáng)的抗干擾能力、高靈敏度、高精度以及低功率帶來的人眼安全性，“FMCW+全固態(tài)掃描”也被業(yè)內(nèi)寄予厚望，然而鑒于當(dāng)下其技術(shù)門檻、成本均明顯高于TOF的現(xiàn)狀，未來融入日常場(chǎng)景仍需要各大廠商持續(xù)努力。

作為智能感知的決策中心，算法賦予了激光雷達(dá)的最強(qiáng)大腦，在短短一瞬間，成千上萬(wàn)個(gè)螢火蟲般的光點(diǎn)被捕獲時(shí)就會(huì)匯聚成一片密密麻麻的點(diǎn)云，這片點(diǎn)云就像用無數(shù)小光點(diǎn)勾勒出的周圍環(huán)境的“素描輪廓圖”，雖然原始但包含了豐富的位置信息。面對(duì)一堆散點(diǎn)的原始點(diǎn)云，機(jī)器需要“看懂”它，就需要靠算法來解密這些散點(diǎn)背后的信息。算法首先像篩子一樣，把通常最密集、位置最低大概率是地面的點(diǎn)分離出來，如用“地面模型”去擬合，從而感知到哪里是地面哪里不是地面。

當(dāng)剔除掉地面點(diǎn)后，剩下的點(diǎn)就是各種非地面物體了。算法會(huì)像玩“找不同”和“連連看”游戲一樣把不同類型的物體分門別類，把位置靠近的點(diǎn)歸成一堆，認(rèn)為它們屬于同一個(gè)物體，比如把代表一輛車的所有點(diǎn)聚成一個(gè)簇。基于各種不同類型簇的形狀、大小、速度等特征，算法就能精準(zhǔn)猜出它是什么，并持續(xù)追蹤它的移動(dòng)軌跡，而這就需要復(fù)雜的模式識(shí)別和機(jī)器學(xué)習(xí)模型。

當(dāng)激光雷達(dá)一邊移動(dòng)一邊掃描時(shí)，算法能像拼拼圖一樣，將當(dāng)前掃描的點(diǎn)云與之前掃描的點(diǎn)云進(jìn)行精細(xì)匹配。通過匹配結(jié)果，精確推算出自身此刻的位置和朝向從而實(shí)現(xiàn)定位，同時(shí)更新和完善周圍環(huán)境的高精度地圖。這就像在黑夜中，你一邊走路，一邊用手電筒照亮周圍，不斷在腦子里更新位置和地圖。

激光雷達(dá)算法，就是讓機(jī)器通過精準(zhǔn)測(cè)量光的飛行時(shí)間，獲得海量的環(huán)境“點(diǎn)坐標(biāo)”，再運(yùn)用智能的“分揀”“歸類”“識(shí)別”“匹配”等數(shù)學(xué)和邏輯魔法，把這堆原始的光點(diǎn)數(shù)據(jù)“翻譯”成機(jī)器能理解的“周圍有什么障礙物？它們?cè)谀模吭趧?dòng)嗎？我自己現(xiàn)在在哪兒？環(huán)境地圖長(zhǎng)啥樣？”等關(guān)鍵信息。這套“翻譯”能力，是機(jī)器在復(fù)雜世界安全行走的核心秘密武器。隨著人工智能大模型的深入應(yīng)用，深度學(xué)習(xí)與硬件加速的融合，使得數(shù)據(jù)處理的時(shí)間延遲正朝著前所未有的更低數(shù)值邁進(jìn)。

三

“隱形”的科技戰(zhàn)場(chǎng)

根據(jù)研究機(jī)構(gòu)Yole發(fā)布的激光雷達(dá)年度報(bào)告顯示，2024年中國(guó)激光雷達(dá)制造商供應(yīng)了全球乘用車市場(chǎng)92%的激光雷達(dá)，其中高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)ADAS領(lǐng)域同比增長(zhǎng)68%，出貨量排名前五位的激光雷達(dá)廠商，分別是速騰聚創(chuàng)（RoboSense）、禾賽（HeSai）、華為（Huawei）、圖達(dá)通（Seyond）、法雷奧（Valeo），中國(guó)企業(yè)穩(wěn)居前四強(qiáng)，在激光雷達(dá)應(yīng)用市場(chǎng)上表現(xiàn)卓越。然而，誰(shuí)能想到在十多年前的激光雷達(dá)市場(chǎng)上卻鮮見中國(guó)玩家的身影。

當(dāng)時(shí)全球激光雷達(dá)市場(chǎng)幾乎是Velodyne公司一家獨(dú)大，甚至出現(xiàn)激光雷達(dá)一顆難求需要漫長(zhǎng)排隊(duì)等待供貨的局面，或許我們從另一個(gè)視角能夠找到一些答案。

早在Velodyne公司一賽成名的前一年（2006年），其創(chuàng)始人大衛(wèi)·S·霍爾就敏銳地察覺到知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重要性，于是向美國(guó)專利局提交了一件名為“高精度激光雷達(dá)系統(tǒng)”的臨時(shí)專利申請(qǐng)，次年又以PCT國(guó)際專利申請(qǐng)的形式在中國(guó)、美國(guó)和歐洲提交了申請(qǐng)，最終這件機(jī)械式激光雷達(dá)基礎(chǔ)專利US7969558B2在美國(guó)獲得授權(quán)，這就是激光雷達(dá)領(lǐng)域知名的“558專利”。

該專利核心要保護(hù)的是一種基于激光雷達(dá)的三維點(diǎn)云系統(tǒng)，將多個(gè)激光發(fā)射器和多個(gè)光電探測(cè)器設(shè)置在該系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)上，通過旋轉(zhuǎn)部件帶動(dòng)發(fā)射器和探測(cè)器以至少200轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)。由于它幾乎已經(jīng)覆蓋了機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)通過旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)360°實(shí)時(shí)立體感知的核心思想以及基本硬件架構(gòu)，被視為早期激光雷達(dá)廠商難以逾越的護(hù)城墻。也正是憑借這件專利，Velodyne公司在2019年前后因?qū)＠謾?quán)先后起訴過禾賽、速騰聚創(chuàng)以及美國(guó)的Quanergy公司、Ouster公司，并讓競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手為此付出過沉重代價(jià)。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)這件專利成了一把懸在眾多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手頭上的“達(dá)摩克里斯之劍”。

然而，技術(shù)的發(fā)展以及市場(chǎng)的變幻總是出人意料。就當(dāng)Velodyne公司仍在為壟斷競(jìng)爭(zhēng)的城墻舔磚蓋瓦時(shí)，新技術(shù)的到來為這場(chǎng)激烈的競(jìng)爭(zhēng)帶來了轉(zhuǎn)機(jī)。由于機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)體積大、成本高，高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械件在惡劣環(huán)境中很難通過車規(guī)級(jí)驗(yàn)證，產(chǎn)業(yè)界更需要一種足夠成熟更加穩(wěn)定的方案來代替它。

各大初創(chuàng)公司在模仿跟隨多年之后也開始自己新一輪的創(chuàng)新之路，半固態(tài)、固態(tài)激光雷達(dá)的技術(shù)研發(fā)一時(shí)間興起。而Velodyne由于技術(shù)布局遲緩以及管理經(jīng)營(yíng)不善，在2023年年初與另一家激光雷達(dá)公司Ouster合并后江湖再也無Velodyne，其在激光雷達(dá)舞臺(tái)上獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的壟斷時(shí)代也宣告終結(jié)。

最新數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)兩大激光雷達(dá)巨頭速騰聚創(chuàng)和禾賽在全球均已經(jīng)申請(qǐng)了超過1000多件專利，位列全球前列，專利布局方向涵蓋了從基礎(chǔ)原理、系統(tǒng)架構(gòu)、制造工藝到應(yīng)用算法等多個(gè)維度。在產(chǎn)品應(yīng)用上，激光雷達(dá)也從最開始的自動(dòng)駕駛場(chǎng)景延伸到配送機(jī)器人、割草機(jī)器人和清潔機(jī)器人等服務(wù)機(jī)器人及物流倉(cāng)儲(chǔ)等工業(yè)場(chǎng)景，以及自動(dòng)泊車、自動(dòng)制動(dòng)等高級(jí)輔助駕駛場(chǎng)景中。一張無形的知識(shí)產(chǎn)權(quán)防護(hù)網(wǎng)正在加速構(gòu)建并為其開拓全球市場(chǎng)保駕護(hù)航。2025年3月份美國(guó)專利局公布了三份專利無效挑戰(zhàn)的結(jié)果，其中禾賽科技成功使兩件激光雷達(dá)專利失效，而這些專利的所有者正是美國(guó)激光雷達(dá)巨頭Ouster公司。

不難預(yù)見當(dāng)各種技術(shù)路線加速收斂，主流技術(shù)路線逐漸形成行業(yè)共識(shí)，量產(chǎn)產(chǎn)品如雨后春筍般涌現(xiàn)時(shí)，專利戰(zhàn)的硝煙必將愈演愈烈。然而在這場(chǎng)沒有終局的競(jìng)賽中，唯有持續(xù)創(chuàng)新才能讓激光雷達(dá)企業(yè)始終立于浪潮之巔——這既是行業(yè)生存法則，更是驅(qū)動(dòng)技術(shù)革命的永恒動(dòng)力。

當(dāng)我們漫步在元宇宙展廳里，看著激光雷達(dá)掃描生成的全息影像時(shí)，可能會(huì)切身地感受這個(gè)技術(shù)不僅是測(cè)量工具，更給人類帶來了拓展認(rèn)知邊疆的全新視角。從納米級(jí)的芯片到浩瀚的太空，激光雷達(dá)已經(jīng)開始重新定義“看見”的維度。

或許在不遠(yuǎn)的某個(gè)初夏清晨，當(dāng)自動(dòng)駕駛汽車載著我們穿越晨霧彌漫的山間公路時(shí)，激光雷達(dá)捕捉到的不僅是曲折的道路輪廓 ,還有路旁樹木花草上露珠折射的朝陽(yáng)光暈——機(jī)器之眼也將和人類一同讀懂生活的美好。（作者單位：國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心）

（文章來源：《創(chuàng)意世界》2025年12月號(hào)）

01

微店訂閱

請(qǐng)掃左側(cè)雜志微店二維碼訂閱或點(diǎn)擊下方小程序鏈接購(gòu)買。

02

郵局訂閱

各地郵局均可訂閱，郵發(fā)代號(hào)：2-652。亦可掃左側(cè)“中國(guó)郵政微商城”二維碼訂閱。

03

報(bào)社訂閱

請(qǐng)匯款至以下賬戶，并將匯款憑證發(fā)至本刊通聯(lián)發(fā)行部。

開戶銀行：中國(guó)工商銀行北京海淀區(qū)北太平莊支行

戶名：中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)報(bào)社

賬號(hào)：0200010009014482891

通聯(lián)發(fā)行部熱線：010-82034385、010-82034281（傳真）

【點(diǎn)擊下方小程序購(gòu)買本期雜志】

編校：苑寶平，審讀：郭麗

/ / / /

/ / /

/ /

/ / /

/ / /