作者：鲜辉、伍廉荣

作者简介：

鲜辉，中科院物构所18级博士，研究方向为功能结构及光物理，导师吴少凡研究员

伍廉荣，清华大学五道口金融学院20级金融硕士，经济学本科，研究兴趣为行业研究、金融科技和创新创业。

编辑：于亿航、周圣钧、高松龄、邱雨浩

审核：赵鑫、张可人

【导读】

习近平总书记强调，抓创新就是抓发展，谋创新就是谋未来。抓住了创新，就抓住了牵动经济社会发展全局的“牛鼻子”。只有夯实创新发展的新基点，以创新培育发展新动力、塑造领先新格局，才能不断增强我国在世界百年未有之大变局中的影响力和感召力。

2020年9月15日，美国对华为的新禁令正式生效，芯片断供让人们再度感受到了“卡脖子”的切肤之痛。形势逼人，挑战逼人，使命逼人。早日摆脱关键领域核心技术受制于人的局面，是我们唯一的选择。

PART-1

探寻解决卡脖子技术的核心理念

——以激光雷达为例

雷达Radar，源于radio detection and ranging的缩写，意为"无线电探测和测距"，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置，雷达是一种利用电磁波探测目标的传感设备。与采用无线电波为载波的传统雷达不同的是，LiDAR——Light Detection And Ranging，即激光雷达，是利用红外到紫外光谱段的激光作为载波、全球定位系统GPS 和惯性测量装置(Inertial Measurement Unit，IMU)三者合一，来获得数据并生成精确数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)的高精度雷达系统。传统雷达接收的信号大多数情况下为目标物的反射信号，而激光雷达不仅可以接收反射信号，还可以接收弹性散射信号，如瑞利散射( Rayleigh scattering) 、米氏散射( Mie scattering) 信号、共振散射信号( resonancescattering) 、荧光信号( fluorescence) 及拉曼散射信号( Raman scattering) 等。

激光雷达。图源：网络

与传统雷达相比激光雷达的优点如下：

1、分辨率高激光雷达工作于光学波段，频率比微波等无线电波高2～3个数量级以上，因此与传统雷达相比，具有极高的距离分辨率、角分辨率和速度分辨率。测速范围广、能获得目标的多种图像。

2、抗干扰能力强激光波长短，可发射发散角非常小的激光束，多路径效应小（不会形成定向发射，与微波或者毫米波产生多路径效应），可探测低空或超低空目标。

3、不受光线影响激光雷达可全天候进行侦测任务，它只需发射自己的激光束，通过探测发射激光束的回波信号来获取目标信息。

4、体积小、质量轻通常普通微波雷达的体积庞大，整套系统质量数以吨记，光天线口径就达几米甚至几十米。而激光雷达则轻便、灵巧得多,外观只有厘米级。且激光雷达结构相对简单，维修方便，操纵更容易。

这使得激光雷达能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。

PART-2

激光雷达原理、构造及分类

从激光发射波形来看，有利用激光脉冲进行探测的脉冲激光雷达、利用连续波激光束进行探测的连续波激光雷达和二者兼有的混合型激光雷达。从机械结构来看，激光雷达又可分为机械激光雷达和固态激光雷达两种，前者最大的特点就是有会转的机械旋转机构，个头较大。而后者最大的特点就是没有了旋转部件，个头相对较小。

其工作原理与激光测距仪极为相似：先向目标发送探测信号（激光束），然后将目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较、分析，随即获取目标的相关信息。如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对目标进行探测、跟踪和识别。从工作原理上讲，与传统雷达没有根本区别，但相对于传统雷达，其具有分辨率高、隐蔽性好、抗有源干扰能力强、低空探测性能好、体积小和质量轻等特点。

激光雷达通过测量激光信号的时间差、相位差来确定距离，通过水平旋转扫描或相控扫描测量角度，根据这两个数据即可建立二维的极坐标系；再通过获取不同的俯仰角度信号即可获得第三维的高度信息。高频激光可在一秒内获取大量（106-107数量级）的位置点信息（称为点云数据），并根据这些信息进行三维建模。

激光雷达测量技术示意图。图源：网络

激光雷达分辨率高，可以采集如方位角-俯仰角-距离、距离-速度-强度等三维数据，并将数据以图像的形式显示，是现代军事侦察的重要技术手段。如已开发并应用于国防军事上的精密跟踪激光雷达、侦测激光雷达、侦毒激光雷达、靶场测量激光雷达、火控激光雷达、导弹制导激光雷达、气象激光雷达、水下激光雷达和导航激光雷达等具备多种功能的雷达系统。

目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学和生物战剂等大规模毁伤武器的遥感探测和鱼雷等水下目标探测等军事领域方面已进入实用阶段，其它军事应用上的开发研究亦日趋成熟。激光雷达已经成为环境感知及国家安全防护不可或缺的重要军事技术手段。

激光雷达军事应用。图源：网络

PART-3

激光雷达技术发展现状及技术瓶颈

1961年激光雷达的设想被提出以来，激光雷达技术从最简单的激光测距技术，逐步发展出了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，历经40余年研发出了具有多种不同用途的激光雷达系统。激光雷达系统主要由激光发射系统（信号发射端）、接收系统（望远镜也叫光学天线）、信息处理系统（信号接收端和信号扫描检测系统）三个基本部分组成。

各部分结构和功能具体如下：

1、发射端主要是激光器，目前YAG:Nd 固体激光器、CO2 气体激光器、 GaAlAs 半导体二极管激光器和光纤激光器等最具有代表性。光学天线则有透射式望远镜（开普勒、伽利略）、反射式望远镜（牛顿式、卡塞哥伦）、收发合置光学天线、收发分置光学天线、自由空间光路、全光纤光路、波片（四分之一、二分之一）分束镜、合束镜和布鲁斯特窗片等。

2、接收端又称光电探测器，通过光电效应将光功率转换为电能。光敏感度是描述光电探测器接收光子时的响应的最关键特性之一。光敏性取决于接收激光的波长。因此，激光雷达系统中光电探测器的选择与激光波长的选择密切相关。主要有 PIN 光电二极管、硅雪崩二极管 (SiAPD)、硅光电倍增器（SiPM，又叫 MPPC），光电导型碲镉汞(HgCdTe)探测器和光伏型碲镉汞探测器。

3、光学扫描器（或光束控制系统）是为了使发射的激光能够快速探测大面积区域而设计的。现有的扫描方法通常分为机械旋转或固态扫描，目前有圆柱形（Velodyne）、6-12 面多面体型、声子偏转器、压电扫描器、光栅扫描器、光学相位扫描器和MEMS 镜扫描器等。也即按结构分类的机械激光雷达和固态激光雷达，前者通常包含一个庞大的机械旋转系统，后来的“固态”指的是没有运动部件的扫描系统。固态激光雷达大多源自红外焦平面成像仪的研究，焦平面探测器上排列有感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。

激光雷达系统组成及工作原理。图源：网络

激光雷达系统的整体工作原理是向目标探测物发送探测信号（激光束），该激光脉冲在传播过程中不断与大气中原子分子发生相互作用，一旦该脉冲进入望远镜的视场，则相互作用产生的回波将被望远镜接收，该信号经过检测和处理后即可得到激光雷达回波信号。然后将目标发射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较、分析后，便可获取目标的相关信息例如，目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对目标进行探测、跟踪和识别，这是传统 LiDAR 的数据处理过程。最近兴起的深度学习技术正在改变这一经典流程，将深度学习应用于激光雷达的三维数据将是未来研究的重要方向之一。但缺乏大量的三维点云数据集是深度学习方法成功应用的瓶颈，随着新型激光雷达的快速发展，开发更加适用于特定激光雷达的新算法势在必行。

PART-4

四、激光雷达关键技术分析

根据激光雷达系统的基本构架，其关键技术方面如空间扫描技术、激光发射机技术、高灵敏度接收机设计技术、终端信息处理技术等一直是基础研究和产业界热衷关心的话题。

（一）空间扫描技术

激光雷达的空间扫描方法可分为非扫描体制和扫描体制，其中扫描体制可以选择机械扫描、电学扫描和二元光学扫描等方式。非扫描成像体制采用多元探测器，作用距离较远，探测体制上同扫描成像的单元探测有所不同，能够减小设备的体积、重量，但我国在多元传感器，尤其是面阵探测器存在技术瓶颈，因此国内激光雷达多采用扫描工作体制。

机械扫描能够进行大视场扫描，也可以达到很高的扫描速率，不同的机械结构能够获得不同的扫描图样，是目前应用较多的一种扫描方式。声光扫描器采用声光晶体对入射光的偏转实现扫描，扫描速度可以很高，扫描偏转精度能达到微弧度量级。但声光扫描器的扫描角度很小，光束质量较差，耗电量大，声光晶体必须采用冷却处理，实际工程应用中将增加设备量。

建立在衍射理论、计算机辅助设计和细微加工技术基础上的二元光学技术可制造出微透镜阵列灵巧扫描器。一般这种扫描器由一对间距只有几微米的微透镜阵列组成，一组为正透镜，另一组为负透镜，准直光经过正透镜后开始聚焦，然后通过负透镜后变为准直光。当正负透镜阵列横向相对运动时，准直光方向就会发生偏转。这种透镜阵列只需要很小的相对移动输出光束就会产生很大的偏转，透镜阵列越小，达到相同的偏转所需的相对移动就越小。因此，这种扫描器的扫描速率能达到很高。二元光学扫描器的缺点是扫描角度较小(几度)，透过率低，目前工程应用中还不够成熟。

（二）激光发射机技术

目前，激光雷达发射光源的选择主要有半导体激光器、半导体泵浦的固体激光器和气体激光器等。

半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的 Pn 结或 Pin 结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光器工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓(GaAs)、砷化铟(InAs)、锑化钢(InSb)、硫化镉(Cds)、碲化镉(cdTe)、硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)等。半导体激光器的激励方式主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入，即给 Pn 结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光器二极管。自世界上第一只半导体激光器在 1962 年问世以来，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外到蓝绿光，覆盖范围逐渐扩大，各项性能参数不断提高，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件)。在某些重要的应用领域，过去常用的其他激光器已逐渐为半导体激光器所取代。

半导体泵浦固体激光器综合了半导体激光器与固体激光器的优点，具有体积小、重量轻、量子效率高的特点。利用泵浦激光，输出光束质量好、时间相干性和空间相干性好的泵浦光，摒弃了半导体激光器光束质量差、模式特性弱的缺点，与氙灯泵浦同体激光器相比具有泵浦效率高、工作寿命长、稳定可靠的优点。激光工作物质可以选择钕(Nd)、铥(Tm)、钬(Ho)、铒(Er)、镱(Yb)、锂(Li)、铬(Cr)等，可获得从 1．047～2．8μm 的多种激光波段。目前，半导体泵浦固体激光器的许多工程应用问题已经得到解决，是应用前景最好、发展最快的一种激光器。

气体激光器是目前种类较多、输出激光波长最丰富、应用最广的一种激光器。其特点是激光输出波长范围较宽、气体的光学均匀性较好，因此输出的光束质量好，其单色性、相干性和光束稳定性好。

（三）高灵敏接收机设计技术

激光雷达的接收单元由接收光学系统、光电探测器和回波检测处理电路等组成，其功能是完成信号能量汇聚、滤波、光电转变、放大和检测等功能。对激光雷达接收单元设计的基本要求是：高接收灵敏度、高回波探测概率和低的虚警率。在工程应用中，为提高激光测距的性能而采用提高接收机灵敏度的技术途径，要比采用提高发射机输出功率的技术途径更为合理、有效。提高激光回波接收灵敏度的方法主要是接收机选用适当的探测方式和光电探测器。

探测器是激光接收机的核心部件，也是决定接收机性能的关键因素。因此，探测器的选择和合理使用是激光接收机设计中的重要环节。目前，用于激光探测的探测器可分为基于外光电效应的光电倍增管和基于内光电效应的光电二极管及雪崩光电二极管等，由于雪崩光电二极管具有高的内部增益、体积小、可靠性好等优点，往往是工程应用中的首选探测器件。

激光雷达的回波信号电路主要包括放大电路和阈值检测电路。放大电路的设计要与回波信号的波形相匹配，对于不同的回波信号(如脉冲信号、连续波信号、准连续信号或调频信号等)，接收机要有与之相匹配的带宽和增益。如对于脉冲工作体制的激光雷达，放大电路要有较宽的带宽，同时还要采用时问增益控制技术，其放大器增益不是固定的，而是按激光雷达方程变化曲线设计的控制曲线，以抑制近距离后向散射，降低虚警，并使放大器主要工作于线性放大区域。

阈值检测电路是一个脉冲峰值比较器，确定回波到达的判据是回波脉冲幅值超过阈值。这种方法的优点是简单，但存在两个主要缺点：1、只要有一个脉冲幅值首先超越阈值，检测电路就会将其确定为回波，而不管它是同波脉冲还是杂波干扰脉冲，从而导致虚警；2、回波脉冲幅度的变化会引起到达时间的误差，从而导致测距误差。在高精度激光测距机中，通常采用峰值采样保持电路和恒比定时电路来减小测时误差。

（四）终端信息处理技术

激光雷达终端信息处理系统的任务是既要完成对各传动机构、激光器、扫描机构及各信号处理电路的同步协调与控制，又要对接收机送出的信号进行处理，获取目标的距离信息，对于成像激光雷达来说还要完成系统三维图像数据的录取、产生、处理、重构等任务。

目前激光雷达的终端信息处理系统设计主要采用大规模集成电路和计算机完成。其中测距单元可利用 FPGA 技术实现，在高精度激光雷达中还需采用精密测时技术。对于成像激光雷达来说，系统还需要解决图像行的非线性扫描修正、幅度、距离图像显示等技术。回波信号的幅度量化采用模拟延时和高速运算放大器组成峰值保持器，采用高速 A／D 完成幅度量化。图像数据采集由高速 DSP 完成，图像处理及三维显示可由工业控制计算机完成。

（五）激光雷达芯片和集成电路

激光雷达集成电路技术，需要将激光发射器、探测器、放大器等数百个电子元器件封装到一个比指甲盖还小的专用芯片中，用单枚芯片实现激光雷达的整体控制。然而传统的激光雷达是由电路板构成，通常说的16线激光雷达就是由16对激光电路板组成，需要依靠人工实现激光发射电路板和接收电路板的微米级对准，这种工艺耗时、低效，且体积较大。

因此，需要开发激光雷达信号处理芯片组，结合现有的半导体封装工艺解决精密光机装调与大尺寸机械误差间跨数量级尺度差异，简化激光雷达复杂的组装及测试过程，以类似积木的形式进行模块化的快速搭建，实现机器自动对准，在提高总装效率的同时，减小设备尺寸。

低成本、小型化是目前新型激光雷达的重点研发方向。

关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的，坚持创新发展的步伐一刻也不容迟缓。当前全球的技术竞争，已经从快速增长时代进入到差异化竞争时代，竞争还会日益加剧。我国多个产业正处于告别旧时代、迈向新时代的重大调整期，正迎来“用户需求体验化、出行场景多样化、技术创新跨界化、产业结构多元化”的关键转型期。

随着激光雷达技术的发展和普及，它在工业、商业等民用领域的作用也日益凸显。得益于其精确的时空分辨率，可获取更丰富的目标信息，激光雷达开始在自动化码头、矿场、工程车辆、机器人、无人驾驶、3D打印、信息遥感、交通安防等诸多领域施展拳脚。然而，在实验室走向真实应用场景的过程中，市场所要求的是能全天候长时间可靠工作的产品，而不是只能在特定环境下演示功能的原型机。室外常见的干扰因素如雨、雾、雪、粉尘、高低温、强光等，成为激光雷达的投入实际应用的挑战。

PART-5

激光雷达在产业应用方面的关键技术分析

光路结构、望远镜口径、激光器类型、单脉冲激光能量及波长、探测距离、时空分辨率（可调）、整机功耗、整机尺寸、稳定可靠性等关键指标也是实际产业应用非常关注的，下面针对几个重点关键指标进行介绍。

（一）选择合适的激光波长应综合考虑大气窗、眼睛安全要求和成本

850-950nm（近红外）和 1550nm（短波红外）激光器因其在工业上的广泛应用而得到了广泛的应用。1550nm 激光的眼睛安全标准允许的最大功率高于 850-950nm 的激光，这意味着可以获得更大的射程。保证用眼安全的激光器在高性能紧凑型LiDAR中越来越受欢迎。在用眼安全的波长范围内，当在地形测绘和避障中探测固体时，通常需要约红外激光器发射1.5 µm的波长。事实上，大气情况良好时，探测器在1.5 µm范围内是非常高效的。然而，需要昂贵的 InGaAs 基光电二极管探测 1550nm 的激光回波。InGaAs 基光电二极管的效率低于成熟的硅基光电二极管。另外，大气对 1550nm 的吸收比 850-950nm 强。或者，约355 nm或更短的紫外线波长是保证用眼安全的大气LiDAR系统的最佳选择，因为大气微粒有相对较高的反向散射系数。目前，近红外波段（例如 905nm）的激光雷达系统仍然是主流。

（二）除了考虑波长，脉冲持续时间也很重要

除了考虑波长，脉冲持续时间也很重要。理想情况下，希望达到毫米到厘米级的纵向测量分辨率，因此需要考虑短脉冲持续时间。然而，非常短的脉冲（约几皮秒）会导致激光光谱和接收机带宽的扩大，使得信噪比变差。而当脉冲超过1纳秒时噪声减少，但分辨率也会降低。因此，如何实现高纵向精度和信噪比的最佳权衡方案至关重要，如使脉冲持续时间达到约几百皮秒（或亚纳秒）。

（三）提高探测、导航避障能力

提高探测、导航避障能力。目前普遍使用的是机械激光雷达，其大多是单线束或者多线束机械旋转式结构，其主要通过机械旋转部件，带动激光发射、接收一起绕轴旋转，每束激光扫描一个平面来实现全方位角度的探测。其中，线束数量越多，激光雷达的测量精度以及分辨率就越高，但同时体积也越大，价格也更高。从市场角度来看，价格高、体积大这一劣势导致了激光雷达无法大规模应用。

光子计数探测体制激光雷达采用直接脉冲探测的方法，通过测量发射激光脉冲和回波光子信号的时间来获取目标距离。光子探测技术利用盖格型探测器对单光子量级信号的高灵敏度响应，将线性探测体制下的数千光子能量探测转化为对少光子、甚至单光子的计数探测，并通过光子的多次累积提高探测概率，最大限度提高系统探测灵敏度，从而降低系统对激光器的要求。

（四）宽工作温度范围及高防护等级

自动报警功能，对于高污染的应用场景（比如矿场），当激光雷达前镜的污染累积到一定程度，需要激光雷达有自我检测功能；极端条件下的工作温度要求至少达到了零下30度到零上50度的范围。因此产品需具备完善的高低温及防水防尘测试，确保产品在实际室外环境中的可靠性能。

（五）室外环境测试及验证

激光雷达所发射的激光束，其激光扩散度由光学部件控制。理论上激光光斑越小能测量的物体尺寸越小。但在室外应用环境中，过小的激光点极易受到室外雨滴及雪花等环境因素的干扰。开发抗干扰算法增强在相应室外环境下的工作稳定性。基于理论计算及过往的丰富工程经验，在测量精度及室外稳定性之间达到最优化。

例如，国际先进测绘型激光雷达的核心性能指标包括：公里级测距范围，毫米级测距精度，百万级激光发射频率。这要求高度优化的激光雷达系统设计技术，尤其是激光雷达信号的精细和实时处理能力，包括微弱信号的采集和放大，噪声的识别和滤除以及时间精准计量，空间位置信息和反射强度信息的瞬态测量等。

激光雷达作为一种实现空间三维探测的高精度传感器，是迄今为止最复杂的、效率和精度最高的传感器之一，自身就是高度集成化、光机电一体化的传感器系统，在使用中还要与全球卫星定位 （如北斗、GPS）、惯性导航单元（IMU）、可见光相机、紫外相机、高光谱相机等各种传感器做时空同步集成，涉及多传感器数据融合和一体化标定，技术门槛很高。与相机相比，它多了主动发光和光信号调制及解调的模块，实现每秒钟百万次精准测量。光的传播速度极快，在信号接收、处理和三维数据生成要在极短的时间内（纳秒）完成，因此难度很大。如此复杂的集成性系统，也让集成电路设计成了激光雷达技术研发的拦路虎，大量国产激光雷达过于复杂的组装会让激光雷达体积重量过大，使用起来很不方便。

目前实现低成本、小型化目标的3种方式：

1.利用微机电系统，即MEMS微振镜，把所有的机械部件都集成到单个芯片中，通过微镜驱动电路来带动MEMS微镜偏转以实现激光扫描。利用半导体工艺生产，使得整个激光雷达的结构简单，相比于传统的机械式转动平台驱动的激光雷达，MEMS微镜更易于精确地驱动与控制，也拥有更小的体积和重量、更低的功耗及成本。

2.采用光学相控阵技术，即通过电信号来控制光发射阵列中每个发射单元的相位差，进而改变激光的出射角度。相比于传统机械扫描技术，由于激光光束完全由电信号控制，所以在允许的角度范围内可以做到任意指向，可以在目标区域进行有选择性的高密度扫描或者稀疏扫描，这对于驾驶环境的感知尤其有效。同时，其扫描精度或指向精度高，可做到1/1000度量级以上。

3.混合固态激光雷达技术，即在垂直于水平面方向均采用电子扫描技术，在水平方向则采用机械360°旋转扫描。该技术主要具有扫描速度快、接收视场小、可承受高的激光功率等优点。

国内固态激光雷达十分落后，都停留在科研院所原型机阶段（包括中科院上海技物所、哈尔滨工业大学、北京理工大学、桂林理工大学、中科院长光所、南京大学等高校），目前最多能达到 8*8 的分辨率，与国外有 15至20 年的差距。

总体而言，我国相关科研院校以及企业已经意识到激光雷达的小型化、低成本化是未来的发展趋势，且已经投入到新型激光雷达的研制中。但是相比于国外，国内科研院校多偏重于理论性研究，距走向大众市场还有一定距离。

因此，不仅仅是基础研究界，在工业、产业界的创新企业应强化基础创新、强强合作、抱团取暖，加大技术研发投入，打造国家级技术创新联合体，积极储备应对极端情况的“备胎计划”，始终秉承以创新技术实现产品领先、以创新生态赢得市场空间的理念。

“如果有人拧熄了灯塔，我们怎么航行？”华为公司CEO任正非说：“高校的明灯照耀着产业，大学老师的纯研究，看得远、钻得深；我们的研究实用度强，我们之间的合作，你们给我们带来方向，照亮了我们。”

中国人民大学国际关系学院教授李巍认为，“我们需要营造鼓励技术研发、推动技术升级的良好环境，鼓励资源向高新技术领域聚集，创造条件让科研人员甘坐冷板凳，安心从事技术研发，引导企业通过技术升级来谋求更大经济收益。”

图源：网络

【结语】

可见，将科研成果产业化施行产研结合一体化是目前国产化新型激光雷达亟需解决的首要问题。打破国外的技术壁垒，突破卡脖子技术的关键在于产研结合一体化！