激光雷达成像原理：机械式与固态式

本文记录机械旋转式与固态式两类激光雷达的成像原理与区别，并以一次协同采集里的三台设备（禾赛 QT128、速腾 RoboSense、图漾 Livox 固态）的点云对照。核心是：扫描机构决定点云长什么样——机械式打"环"、重复，固态式打"花瓣"、非重复。

关键参数

设备	类型	扫描机构	单帧点数	判据
Hesai QT128	机械式	整体旋转 + 128 线束	~41472	ring 字段 0–127（92 线有回波）
RoboSense（前/后）	机械式	整体旋转 + 多线束	~37600–40600	离散线束（对比度 148–2561）
Livox	固态式	双 Risley 棱镜 rosette	~50016	连续带（填充率 99%、对比度 4.3）

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飞行时间测距与逐点扫描

不论机械还是固态，激光雷达都做同一件事：主动发一束激光、收回波、测时间，得到一个点的距离，再靠扫描机构把这束光扫过视场，逐点拼出点云。

• 测距（ToF）：$r = c\Delta t / 2$。$c$ 为光速，$\Delta t$ 为发收时间差，除 2 是因为光走了一个来回。
• 每点的完整属性：扫描机构给出光束指向（方位角 $\theta$、俯仰角 $\phi$），ToF 给距离 $r$，回波强度给 intensity，由此算出三维坐标

$$ x=r\cos\phi\cos\theta,\quad y=r\cos\phi\sin\theta,\quad z=r\sin\phi $$

• 两者的全部区别都在"扫描机构"上：光束怎么被导向、按什么轨迹扫过视场。这决定了点云长什么样、单帧密不密、帧间重不重复。

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机械旋转式

原理

发射/接收模块整体绕竖轴旋转（约 10 Hz）。垂直方向排布 N 条线束，每条线束一个固定俯仰角。每转一圈，每条线束扫出一个水平环（ring），N 条线束得到 N 个环。

点云指纹

• 扫描图案 = 水平环：方位角×俯仰角平面上，点聚成 N 条水平线（每条 = 一个 ring）。
• 重复扫描：每转一圈打的是同一组环，帧与帧几乎完全重叠（细网格重叠率接近 100%）。
• 离散线束：俯仰方向是 N 个离散值，线束之间有缝——俯仰分布呈尖峰，填充率低。
• 有结构：SDK 通常带 ring 字段（线束编号），点云可还原成 N 行的规整结构。

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固态式（Livox 双棱镜）

原理

没有整体旋转的镜组。两片同轴的楔形棱镜（Risley 棱镜）各自以不同转速旋转，每片像"光楔"把光束偏一个固定角度，两片折射叠加后，光束指向沿一条 rosette（花瓣）轨迹运动。因为两个转速不可约（比值非有理数），花瓣图案永不精确重复——称为非重复扫描。

术语澄清：Livox 这类"半固态/混合固态"仍有两片旋转棱镜（有运动部件），但省去了整体旋转镜组，故体积小、寿命长、车规友好。真正的"全固态"（OPA 相控阵、Flash 面阵）无任何运动部件，原理不同，本文不展开。

点云指纹

• 扫描图案 = rosette 花瓣：方位×俯仰平面上是连续的曲线带，而非水平环。
• 非重复扫描：花瓣缓慢进动，每帧打不同位置，帧间细网格重叠率只有约 50%。
• 连续带：俯仰方向被连续填满（无离散尖峰），填充率接近 100%。
• 累积换分辨率：积分时间越长，花瓣填得越密——单帧偏稀，但多帧合并能覆盖到机械式打不到的缝。

扫描图案对照

机械式逐帧"刷同样的环"，固态式逐帧"挪着画花瓣"。

三设备实测

以下均取自一次协同采集各设备首帧（有效点取 $r>0.3$ m）。

单帧扫描图案（方位 × 俯仰）

• Hesai QT128 / RoboSense：点聚成水平条带（环），俯仰离散——机械式。
• Livox：点连续铺成一个带，看不到独立水平线——固态 rosette 特征。

俯仰分布剖面（离散尖峰 vs 连续带）

把每帧所有点的俯仰角做直方图：

设备	尖峰数	俯仰填充率	峰/谷对比度	结构
Hesai QT128	88	14%	108	离散线束
RoboSense front	~1（场景主导）	7%	2561	离散
RoboSense rear	~2	51%	148	离散
Livox	1 个宽峰	99%	4.3	连续带

机械式俯仰有缝（填充率低、对比度 ≫1）；Livox 连续填满（填充率 ~100%、对比度 ~1）。这是区分机械式与固态式的关键指标。

ring 字段

Hesai QT128 的点云带 ring 字段（0–127），每个值对应一条物理线束。本场景中 128 线里约 92 线有有效回波（远景/天花板/地板部分线束未命中）。

非重复扫描

把 Livox 的 frame 0/1/3 叠在一起，能看到花瓣进动（颜色错开）；frame 0 与后续帧在 0.25° 细网格上的重叠率只有约 50%——机械式同样测试会接近 100%。即 Livox 每帧打不同位置、靠累积增密。

综合对比

维度	机械旋转式	固态式（Livox 双棱镜）
扫描机构	整体旋转镜组 + N 固定线束	两片 Risley 棱镜各自旋转
扫描图案	水平环	rosette 花瓣
重复性	重复（每圈同图案）	非重复（进动）
分辨率	固定（线数 × 方位）	随积分时间增长
单帧密度	高（近乎整圈）	较稀（花瓣只盖一部分）
俯仰结构	离散尖峰（有缝）	连续带（无缝）
是否带 ring	是	否
运动部件	整体旋转（有磨损）	仅两片小棱镜
体积/寿命/车规	较大	小、友好
典型产品	Hesai / RoboSense / Velodyne	Livox Mid / HAP / AVIA

选型与实践

• 要单帧就稠密、数据规整（有 ring、易做逐帧感知/运动估计）：选机械式（QT128、RoboSense）。远距、大场景、需要固定环结构喂给下游算法时占优。
• 要体积小、靠时间累积出高分辨、补盲补缝：选固态（Livox）。近中距、安装空间紧、可容忍单帧稀疏时占优。
• 数据使用注意：
  • 机械式点云带 ring，可按线束组织；RoboSense 这批未带 ring，但离散线束结构与 Hesai 一致。
  • 固态式（Livox）单帧偏稀，静态建图务必多帧累积（进动会填满视场，密度随帧数上升）；逐帧匹配因无固定环结构，需用通用配准（ICP/NDT）。
  • 三台在本场景的有效量程都在约 0.6–5 m（近景室内），距离中位数 0.7–2.8 m；远距感知宜换长距机械式或 ToF。

文章链接：
https://www.zywvvd.com/notes/3d/lidar/lidar-mechanical-vs-solid/