單光子激光雷達與線性固態激光雷達

上圖是豐田于 2013 年開發的基于 SiSPAD （硅單光子）的激光雷達原型。水平角分辨率高達 0.05 度，水平 FOV 為 170 度，垂直 FOV 較差，僅為 4.5 度。采用了少見了 870 納米激光，脈沖帶寬為 4 納秒，每秒高達 8 億 TOF，云點數為 326400，云點密度大約是 Velodyne VLP16 的 13 倍。

單光子激光雷達缺點是，存在死時間效應。GM（蓋革）-APD 飽和后需要一定時間才能恢復原來狀態，為使其可以連續正常工作需要采用淬火電路對雪崩進行抑制。此外，GM-APD 有極高的靈敏度，其最噪聲因素更加敏感，通道之間串擾更嚴重。

線性模式 APD 陣列的優點如下：光子探測率高，可達 90% 以上；有較小的通道串擾效應； 具有多目標探測能力； 可獲取回波信號的強度信息； 相比于 GM-APD，LM-APD 對遮蔽目標有更好的探測能力。

缺點是靈敏度低于 GM-APD；讀出電路的復雜度大于 GM-APD（需對輸入信號進行放大、濾波、高速采樣、閾值比較、存儲等操作）。

單光子的優點主要是云點高密度和適應載體（飛機或導彈）的高速移動，還有就是讀出電路簡單，周邊電路成本低，缺點是信噪比不夠高，也沒有激光回波的強度信息，也就是無法取得灰度圖像，也無法單靠強度就識別樹木，草地，建筑物和道路，也很難對應多個目標。

線性 APD 的缺點是讀出電路復雜，成本高。再有就是單光子屬于敏感的軍用元件，全球各國都嚴格控制，不易取得穩定，大量的供應渠道。因此豐田在 2017 年還是轉向線性 APD，投資了 Luminar。

線性 APD 固態激光雷達起源自美國 NASA 的火星探測計劃，為保證飛行器在火星表面安全著陸，需要一套三維成像雷達系統，為飛行器降落選擇合適的著陸點。

這項工作在 2003 年委托 ASC（Advanced Scientific Concepts） 公司負責，2005 年 ASC 開始為 NASA Langley Research Center(LaRC) 研制自主著陸和避險系統 (Autonomous Landing and Hazard Avoidance technology，ALHAT) 的三維成像雷達系統 GoldenEYE。

2013 年, 該系統掛載在火星漫游車著陸器原型機夢神號 (Morpheus) 上, 在地面模擬月球表面環境測試, 探測器分辨率為 128 × 128，激光器單脈沖能量為 11 mJ, 接收光學系統視場角為 3 度, 幀頻為 5 Hz? 

飛行器在 200 米以上高空落體, 可以完成在有障礙物的場地自主著陸蔽障工作? 在激光功率一定的情況下, 可以通過將 128 × 128 像元合并為 11 ×11 像元, 通過合并像元的方式提高信噪比, 使雷達成像距離由 1. 8 公里 提升至 20 公里, 完成飛行器的全程自主著陸控制?

ASC 在 2016 年被德國大陸汽車系統公司收購，在 2017 年展出了針對自動駕駛的 3 維成像固態激光雷達。大陸未公布詳細參數，推測其最遠距離可達 500 米，分辨率達到 256*256。年量產達到 10 萬級的話，成本估計在 150 到 200 美元。

但是就目前來看，由于 APD 陣列的非均勻性造成的大多數線性 APD 都只能獲得距離像，灰度圖像依然存在很多問題。下一步的發展是進一步提高線性 APD 的像元數量并增強一致性，并提高分辨率。

國內固態激光雷達十分落后，都停留在科研院所原型機階段（包括中科院上海技物所、哈爾濱工業大學、北京理工大學、桂林理工大學、中科院長光所、南京大學等高校），目前最多能達到 8*8 的分辨率，與國外有 15 到 20 年的差距。