激光雷达怎么分类：2D / 3D、机械式、MEMS 与全固态

激光雷达（Light Detection and Ranging，LiDAR）用激光照射目标，再根据返回信号估计距离。常见类型包括 2D、3D、机械式、微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）和全固态 LiDAR：2D 主要记录一个扫描平面，3D 形成具有高度信息的空间点集；机械式、MEMS 和全固态则采用不同方式控制激光束覆盖视场。这里以走廊建图与避障为例，说明各类激光雷达输出什么数据、怎样扫描，以及相关术语的技术边界。

视场（Field of View，FoV）： 传感器一次扫描能够覆盖的角度范围，通常分为水平视场和垂直视场。

📐 2D 与 3D LiDAR 输出什么数据

常见脉冲式直接飞行时间（direct Time of Flight，dToF）方案发射短激光脉冲，记录脉冲往返目标的时间差 $Delta t$。距离按下式计算：d = c$Delta t$/2

其中 $c$ 为光速，除以 2 是因为记录的是发射到目标再返回接收器的往返路程。Blickfeld 官方工作原理和 SICK 官方白皮书均采用这一关系。

一个距离值本身只是沿某个方向的测量点。光束在固定平面内改变方向，会得到距离 $r$ 与方位角 $theta$ 组成的二维极坐标扫描；再增加垂直方向 $phi$，或同时使用多条不同俯仰角的测量通道，才形成空间采样。空间点通常换算为 $x,y,z$ 坐标并组成点云。

图 1：2D LiDAR 只记录安装高度处的扫描截面；3D LiDAR 同时记录多个高度的空间点。原创绘制；测量维度参考：SICK 官方白皮书。

点云： 一组带空间坐标的离散测量点；点数多不代表表面连续，也不自动包含物体类别。

角分辨率： 相邻测量方向之间的角度间隔；数值较小通常能在同一视场内形成更密的采样。

🟠 2D LiDAR：固定扫描平面

2D LiDAR 输出一个平面内的轮廓。SICK 的 2D LiDAR 技术资料将这类数据描述为相对测量原点的二维极坐标，并以旋转镜逐角度触发测量作为典型实现。安装在移动底盘上时，扫描面通常与地面平行，用于匹配墙面、立柱和门洞轮廓。

走廊建图只需要稳定的平面轮廓时，2D LiDAR 数据量较小，地图与定位链路也更直接。边界同样明确：低于扫描面的纸箱、悬空桌面和不同高度的障碍不会出现在单帧扫描里。调整安装高度只是移动这张“切片”，不会把它变成原生 3D 感知。

🔵 3D LiDAR：覆盖垂直方向

3D LiDAR 在水平方向之外增加垂直采样，输出多层扫描或更稠密的三维点云。走廊转角中的地面、门框、手推车不同高度和顶层结构可同时形成空间几何，适合三维避障、体积测量和地形起伏判断。

图 2：四个具有不同俯仰角的扫描平面同时覆盖不同高度，说明多层 LiDAR 如何获得垂直方向信息。图片来源：SICK AG，《LiDAR sensor functionality and variants》白皮书第 12 页，图 16；

“3D”不保证垂直方向足够密。四线、多线与面阵方案都可能被称为 3D LiDAR，但垂直视场和通道密度差异很大。低矮障碍能否被覆盖，应根据安装高度、垂直视场、垂直角分辨率和目标尺寸计算，而不是根据“3D”标签推断。

2D LiDAR 也能在运动中重建 3D：扫描器位姿已知且时间同步时，多帧平面扫描可按位姿叠加到空间坐标中。SICK 白皮书给出了通过传感器运动、时间戳和索引生成 3D 图像的做法。该方案额外依赖运动轨迹、同步精度与运动畸变处理，不能等同于单帧原生 3D 输出。

⚙️ 机械式、MEMS 与全固态怎样转动光束

按波束控制结构划分时，核心判断是“哪个部件在动”。2024 年的 Nature Communications 文章把商用车载 LiDAR 概括为机械式、仅 MEMS / 反射镜运动的混合固态，以及无机械运动的全固态。实际产品还存在转镜、转棱镜、摆镜、可寻址发射阵列等组合结构，三分法是建立认知的起点，不是完整物料清单。

图 3：四种典型波束控制关系，其中 MEMS 仍有微镜运动，Flash 与 OPA 可在严格定义下实现无机械运动。原创绘制；参考：ams OSRAM LiDAR 技术页、Blickfeld MEMS 工作原理及 Nature Communications 综述。

🔄 机械式：宏观旋转机构完成扫描

机械式方案让发射 / 接收组件、扫描头、转镜或多面棱镜持续旋转。它能做成 2D 单平面扫描，也能让多束不同俯仰角的激光随机构旋转，形成 360° 3D 点云。SICK TiM51x 文档中的典型 2D 结构由旋转镜偏转激光；多线旋转式 3D LiDAR 则在旋转方向之外增加垂直通道。

这类结构的价值通常是大水平视场、规则扫描周期和成熟的几何模型。工程约束集中在尺寸、机械寿命、轴承与电机、振动冲击、噪声和密封。不能仅凭“有运动部件”判定可靠性差，寿命、环境等级和冲击振动指标仍应以具体型号的验证数据为准。

🪞 MEMS：微型振镜在芯片尺度摆动

MEMS LiDAR 由微型反射镜改变激光方向。Blickfeld 的官方说明展示了两枚相互垂直的 MEMS 微镜分别控制水平与垂直偏转，并通过振荡形成扫描图样。相较整机旋转，运动质量与结构尺寸更小，也便于做固定前向视场和可配置的关注区域。

图 4：Blickfeld Qb2 的发射与接收光路。标号 1～6 依次对应激光源、激光脉冲、分光镜、两枚相互垂直的 MEMS 波束偏转单元、视场内目标和光电探测器。图片来源：Blickfeld GmbH，Qb2 Operating Principle；

MEMS 不是“完全没有运动”。微镜孔径、偏转角、谐振频率、振动敏感性和扫描图样会共同影响视场、点密度与刷新方式。扫描线未必均匀，也未必覆盖 360°；点云算法应读取实际标定与时间信息，不应假定它与匀速旋转雷达具有相同采样规律。

扫描图样： 激光测量点随时间在视场内走过的轨迹；它决定各方向何时被采样以及点密度是否均匀。

💡 全固态：没有机械扫描运动

严格意义上的全固态 LiDAR 不依靠机械运动改变光束方向。常见路线包括：

Flash LiDAR（闪光式激光雷达）： 一次照亮整个视场，由二维接收阵列并行获取深度，行为接近“拍一张深度照片”。它不产生由扫描镜依次扫过不同角度造成的同类帧内时序差，但曝光、读出和平台运动仍可能带来误差；全视场共享光功率，探测距离、眼安全、接收阵列规模与分辨率需要平衡。ams OSRAM明确把 Flash 描述为无运动部件、整幅视场一次成像的路线。

OPA（Optical Phased Array，光学相控阵）： 通过控制阵列单元的光学相位，在没有机械惯性的情况下改变波束方向。它属于电子波束控制路线，但视场、旁瓣、效率、热控制和大规模制造仍是系统设计重点。2025 年的 npj Nanophotonics 综述同时总结了其高速电子扫描潜力和实际 LiDAR 集成仍待解决的问题。