机械、半固态、全固态激光雷达有何区别?谁更适合自动驾驶?

在自动驾驶技术的发展进程中，激光雷达作为关键传感器，对车辆准确感知周围环境起着举足轻重的作用。它通过发射激光束并接收反射光，实时构建周边物体的三维位置信息，为车辆决策和控制提供精准依据。当下，市场上主流的激光雷达可分为机械式、半固态和全固态三种类型，它们在技术原理、性能表现、成本及可靠性等方面存在显著差异，各自适用于不同的自动驾驶场景。

一、工作原理与技术特点

(一)机械式激光雷达

机械式激光雷达堪称激光雷达领域的 “元老”，是最早实现商业化应用的架构。其工作方式如同一个精密的旋转 “侦察兵”，主要依靠电机驱动旋转支架或包含多个反射棱镜的旋转圆盘。在旋转过程中，固定于支架上的多个激光发射器和接收器能够 360 度水平扫描周围环境，就像我们转动脑袋全方位观察四周一样。以 Velodyne 公司早期推出的 HDL-64E 为典型代表，该型号采用 64 线多发多收设计，通过高速旋转扫描，能实时生成高密度的点云数据，无论是白天还是夜晚，都能精准地检测和分类车辆周围的物体，为自动驾驶车辆提供极为详细的环境信息。

(二)半固态激光雷达

半固态激光雷达则是在机械式基础上进行的一次 “改良进化”，它对机械部件的依赖大幅减少。通常情况下，仅保留一个或多个小型扫描器，如转镜或 MEMS 微镜，用于引导激光束在水平或垂直方向扫过一定角度区间，而接收模块则通过固定的光学阵列完成回波信号采集。

转镜式半固态激光雷达一般采用单轴或双轴电动转镜，高速旋转或摆动的镜面如同灵活的 “反光镜手”，精准控制激光发射方向。这种设计成本适中，量产难度相对较低，在市场上颇受欢迎。例如万集科技推出的 760 超薄车载激光雷达，采用转镜 + 多发多收解决方案，实现真 192 线扫描，在 10% 反射面的情况下探测距离可达 200 米，最远甚至可拓展至 300 米，水平视场可达 120°、垂直视场 25°，垂直分辨率 0.15°、水平分辨率 0.13°，机身厚度仅 24 - 30 毫米，兼具优秀的点云质量与车规可靠性，是高阶辅助驾驶(ADAS)场景的得力助手。

MEMS 振镜式半固态激光雷达运用微机电系统(Micro - Electro - Mechanical Systems)技术，将微小的反射镜集成在光刻工艺芯片表面。通过静电驱动信号，镜面在微米级尺度内快速振荡，如同无数个微小的 “舞者” 精准舞动，实现激光束在预定角度范围内扫过。相较于转镜方案，MEMS 振镜结构避免了大型机械零部件带来的惯性与扫描速度限制，进一步减小了雷达的厚度和整体体积，更容易与车身设计实现一体化集成。速腾聚创(RoboSense)的 M1 系列便是基于 MEMS 振镜实现较宽的水平与垂直视场，具备较高的点云密度与稳定性，已成功获得多家汽车厂商订单，展现出良好的市场前景。

(三)全固态激光雷达

全固态激光雷达被视为行业的 “终极形态”，它彻底摒弃了机械运动部件，如同一位无需肢体动作就能感知世界的 “智者”。主要分为相控阵(Optical Phased Array，OPA)和 Flash(泛光面阵式)两种技术路线。

OPA 型激光雷达通过控制多个激光发射单元组成的发射阵列中各个单元的相位差，来改变激光光束的发射角度，就像指挥一个精密的 “光学乐队”，每个乐器(发射单元)通过精准的节奏(相位差)配合，实现激光束的灵活指向。由于无需任何机械运动，它具有最优的可靠性与潜在最小的体积，理论上可大幅降低量产成本。然而，其核心挑战在于相控阵芯片的制造良率、相位调制精度以及大规模集成的光电器件封装复杂度，目前这些技术难题仍在攻克过程中。

Flash 型全固态激光雷达采用类似于相机闪光灯的原理，一次性向整个探测场景发射激光脉冲，然后通过大面积接收阵列同步采集反射回波，如同给整个场景瞬间拍了一张 “深度照片”，以获得整个场景的深度图。与 OPA 技术相比，Flash 架构无需依赖相位调制器或复杂的微纳级光学腔，仅需在光学路径中安排一些光学扩束与均匀化组件以及大规模阵列光电接收器即可实现一瞬间的大视场深度采集。在短距离场景，如智能泊车、无人配送机器人等低速应用中表现出色，能够实现毫秒级甚至亚毫秒级的全场景深度成像。但对于高速行驶的汽车场景而言，目前存在信噪比与接收灵敏度不足的问题，并且在长距离探测时，对大功率激光发射与高密度接收阵列的双重需求，使得 Flash 型全固态激光雷达在量产成本、热管理设计和光学系统稳定性方面仍需进一步突破。

二、性能、成本与可靠性对比

(一)性能指标

从探测距离来看，机械式激光雷达优势明显，通常能够对 10% 反射率目标实现超过 200 米甚至更远的探测距离，这使其在远距离感知复杂环境方面表现卓越，能够为 L4 及以上级自动驾驶提供充足的决策时间。半固态激光雷达探测距离一般集中在 100 - 200 米之间，部分转镜设计可突破 200 米，虽稍逊于机械式，但在大多数自动驾驶场景中也能满足需求。全固态激光雷达目前在探测距离上相对较弱，尤其是 Flash 型在长距离探测面临挑战，不过随着技术发展，OPA 型有望实现更远探测距离。

点云分辨率方面，机械式激光雷达凭借其成熟的技术和稳定的扫描方式，长期保持领先，能够提供极为密集和精确的点云数据，为感知算法提供丰富信息。半固态激光雷达中，MEMS 振镜式在扫描精度上有较大优势，转镜式也能提供较高分辨率。全固态激光雷达在分辨率上正在不断提升，但目前整体与机械式相比仍有一定差距。

视场范围上，机械式激光雷达可实现水平 360 度、垂直自上而下定角度均衡分布的全方位视场，为车辆提供无死角的环境信息。半固态激光雷达无法实现真正的 360 度环视，通常需要与其他传感器深度融合补盲。全固态激光雷达视场范围也相对有限，同样需要多传感器协作。

(二)成本分析

机械式激光雷达由于沿用传统 “转盘 + 激光发射器 + 接收阵列” 三大模块结构，技术成熟但成本高昂，单价往往达到数万美金级别。这是因为其复杂的机械结构和高精度的制造工艺，使得生产成本居高不下，严重限制了其在量产车型中的大规模应用。

半固态激光雷达通过将机械运动限制在更小的部件上，实现扫描器与靶材的分离，大幅降低了成本。随着技术的成熟和量产规模的扩大，其成本优势将更加明显，目前市场上主流的半固态激光雷达单价已可控制在较低水平，更符合车企的成本考量。

全固态激光雷达理论上具有最低的成本潜力，一旦量产良率提升，其单价有望被控制在几百美元甚至更低。但目前受限于技术瓶颈，其研发和生产成本仍然较高，距离大规模商业化应用的成本目标还有一定距离。

(三)可靠性与寿命

机械式激光雷达的机械运动部件在长期使用过程中，容易因磨损、振动等因素影响性能，导致寿命受限，一般需要定期维护和更换部件，这在一定程度上增加了使用成本和风险。

半固态激光雷达虽然减少了机械运动部件，但仍存在部分小型机械扫描部件，如转镜或 MEMS 微镜，不过相比机械式，其可靠性已有显著提升，寿命也相应延长，并且更容易通过车规级认证，满足汽车行业对产品可靠性和耐久性的严格要求。

全固态激光雷达由于完全取消了机械运动部件，从根本上消除了机械磨损带来的问题，具有最高的可靠性和最长的寿命，理论上可实现数万小时的无故障运行，这对于汽车这样需要长期稳定运行的产品来说，具有极大的吸引力，是未来车规级激光雷达的发展方向。

三、不同类型激光雷达在自动驾驶中的应用适配性

(一)机械式激光雷达与高阶自动驾驶

对于 L4 及 L5 超高阶自动驾驶，车辆在大多数场景下无需人工干预，对感知系统的性能和冗余度要求近乎苛刻。机械式激光雷达凭借其成熟稳定的性能，尤其是出色的探测距离和高分辨率点云数据，一度成为 L4/L5 级测试车的首选。然而，其高昂的成本和较差的车规适配性(体积大、寿命短等)，使得在量产应用中困难重重，目前主要应用于一些对成本不太敏感的特定场景测试和高端科研项目中。

(二)半固态激光雷达与中低阶自动驾驶

对于 L3 及以下级别的自动驾驶，包括 L2 高级驾驶辅助系统 ADAS、L2 + 和 L3 半自动驾驶，半固态激光雷达在性能与成本之间找到了较好的平衡，成为当下更合理的选择。以市场主流的转镜式半固态产品为例，其能够提供足够的探测距离(一般在 150 - 200 米范围内，10% 反射率目标可达到此距离)以及较高的垂直线数(64 - 128 线)，配合 360 度或局部多传感器拼接，可满足城市道路或高速公路场景下的车道保持、自动紧急制动(AEB)等功能需求。当半固态激光雷达与摄像头、毫米波雷达、毫米级高精度地图和高性能域控制器配合，可以构建更具冗余安全性的多模态感知系统，为 L3 级自动驾驶提供有力支持，目前已广泛应用于多款量产车型。

(三)全固态激光雷达的未来潜力

全固态激光雷达虽目前技术尚在发展阶段，但凭借其体积小、可靠性高、成本潜力低等优势，被视为未来自动驾驶激光雷达的主流方向。在未来，随着技术的不断突破，尤其是 OPA 型在制造良率、相位调制精度等方面的提升，以及 Flash 型在探测距离、信噪比等问题的解决，全固态激光雷达有望在自动驾驶领域发挥更大作用，逐步从目前适用于短距离低速场景，拓展到中长距离高速场景，实现真正的车规级大规模应用，推动自动驾驶技术向更高水平发展。

综上所述，机械、半固态、全固态激光雷达各有优劣，在自动驾驶发展的不同阶段和不同场景中都扮演着重要角色。当下，半固态激光雷达凭借其综合优势成为量产车型的主流选择，而全固态激光雷达则承载着未来的希望，随着技术的不断进步，将为自动驾驶带来更广阔的发展空间。