中國測繪 | 毛慶洲教授—珞珈伊云：厚積薄發，打造中國人自己的高精度激光雷達

——訪武漢大學教授、珞珈伊云首席科學家毛慶洲

9月30日，在由中國測繪學會組織的“多頻段新型測繪激光雷達技術及裝備”科技成果評價會上，以國家海洋局第二海洋研究所潘德爐院士、中國測繪科學研究院劉先林院士、長春光機所王立軍院士等行業專家組成的評價委員會對由武漢大學、深圳大學以及珞珈伊云等單位合作研制的FT系列輕小型長測程激光雷達給出了高度評價：“該成果整體技術達到國際先進水平，其中1500米空對地激光掃描的點云密度達到國際領先水平。”

 

 

 

武漢大學教授、珞珈伊云首席科學家毛慶洲

 

“在激光雷達市場，珞珈伊云雖然是一個新兵，但我們的研發團隊主要成員其實在這一領域已經深耕了20多年。我們希望中國的激光雷達技術不再受制于人，能夠跟上乃至超越世界水平，希望中國人自己研發的激光雷達能夠廣泛應用于地理測繪等各行各業，不再有數據安全之憂。”采訪中，武漢大學教授、珞珈伊云首席科學家毛慶洲將珞珈伊云和激光雷達的故事向記者娓娓道來。

 

自主研發 打破國外技術壟斷

 

談起珞珈伊云的誕生，就不得不提及武漢漢寧軌道交通技術有限公司（以下簡稱“漢寧”）和武漢夕睿光電技術有限公司（以下簡稱“夕睿”）這兩家公司。這兩家公司都是毛慶洲帶領團隊在道路和軌道交通領域深耕多年的企業，主要業務涵蓋道路評測、道路養護設計、道路檢測以及軌道交通數據采集、軌道交通數字化運營等方面。

 

“在夕睿和漢寧所開展的業務中，需要用到三維激光掃描技術和設備，以前我們都是從國外進口，但很快我們就感到了痛點。國外的設備不僅價格昂貴、交貨周期長，而且服務響應非常緩慢，我們曾經有一套設備發生故障后，整個售后維修周期差不多半年多。更令我們頭疼的是，進口設備雖然技術先進，但是不接受產品定制、技術封閉不開放，有些先進的功能不對中國客戶開放，這對我們的業務發展影響很大。”毛慶洲坦言，由于光學、材料、微電子以及加工制造工藝等基礎技術限制，測繪級激光雷達的核心技術與裝備一直被國外少數企業壟斷，國內高端激光測量裝備80%以上依賴進口。

激光雷達技術的“卡脖子”之痛，讓毛慶洲深深認識到：關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的。如果不能將關鍵核心技術掌握在自己手中，那么就會永遠被人掐住發展的“脖子”，永遠處于落后挨打的被動局面。于是，從2016年起，毛慶洲團隊開始踏上了激光雷達技術的自研之路，主要滿足夕睿和漢寧的內部使用需求。經過多年來的潛心鉆研，毛慶洲團隊自研的三維激光掃描技術取得巨大突破，無論是激光的測距和精度，還是多回波和動態信號的接收能力都有質的提升。

 

核心技術上的突破，也讓毛慶洲團隊初步嘗到了市場的甜頭。“這些年，得益于我們三維激光掃描技術方面的新成果，漢寧、夕睿兩家公司的業務在軌道交通、公路等行業應用領域開始步入快車道。”據毛慶洲介紹，目前軌道交通檢測業務已經覆蓋國鐵集團各個鐵路局集團公司，智能化設備累計銷售近百套；地鐵隧道三維激光檢測服務覆蓋全國20多個地鐵城市，累計服務里程超5000千米，市場占有率居國內前列；基于三維激光的公路路面、隧道智能化檢測設備短短幾年時間已銷售超百套，進入行業第一梯隊，并給行業檢測技術帶來了質的創新。

 

“過去，我們研發的激光雷達技術主要供夕睿和漢寧內部使用。近年來，整個行業發生了巨大的變化，一方面隨著萬物互聯時代的加速到來，激光雷達作為一種新的傳感技術和數據采集手段蓬勃發展，市場前景巨大；而另一方面，2020年新冠疫情后，西方國家對我國企業的打壓和遏制不斷升級，國產化替代在許多領域加速推進，激光雷達領域也不例外。”毛慶洲指出，鑒于外部環境的變化，于是團隊決定把激光雷達這個業務獨立出來，進行產業化運作，這不僅是做大做強國產化激光雷達產業的需要，也是想為解決我國激光雷達“卡脖子”難題，實現自主安全可控盡一份力。

 

2020年6月30日，珞珈伊云公司成立。公司依托武漢大學宇航科學與技術研究院高分辨率激光團隊，致力于打造國產化激光雷達產業，努力為各類行業應用端廠商提供更清晰、更精確、更穩定的高精度三維激光雷達產品和數據采集解決方案。

 

克難攻關，將核心技術掌握在自己手中

 

自成立那一刻起，珞珈伊云便立足原始創新，努力解決高端激光雷達關鍵核心技術，致力于開發具有完全自主知識產權的高精度三維激光雷達產品。然而這注定是一條充滿荊棘而又漫長的道路。

 

“在項目開發過程中，我們要求激光雷達產品的性能和質量對標國際先進水平，決不能因為自研就降低要求。作為激光雷達的核心部件，掃描電機的研發讓我們屢遭挫敗，痛苦不堪。當時，國產電機一般在3000轉～5000轉，但是進口電機卻在10000轉以上，有的甚至達到了15000轉。為了追趕15000轉的國際領先水平，我們在研發過程中反復嘗試，反復摸索，一個方案不行，就再想其他方案，再去實驗，還是失敗……我們為此前前后后設計了十幾個版本，進行了上百次的優化改進，實驗過程中加工作廢的零部件堆起來如同一座小山，耗資近百萬元。”毛慶洲坦言，追趕國際領先水平是一個非常艱辛而又痛苦的過程，需要有屢敗屢戰、鍥而不舍的科學鉆研精神。

 

經過前后一年多的艱難攻關，2022年初，毛慶洲團隊終于實現了15000轉高速電機的量產，大大提升了國產化激光雷達的掃描角度分辨率。與此同時，通過對核心元器件與技術攻關的持續攻關，珞珈伊云已成功攻克了激光信號寬動態接收、波形提取和高分辨率重建、動態高精度測角以及回波多周期探測等激光雷達測量關鍵技術，基本實現了激光雷達裝備的國產化，使得國產激光雷達在技術性能上與國外產品相當的基礎上，市場價格只是國外產品三成左右。

 

目前在市場上開始逐步應用并獲得客戶廣泛好評的FT1500，是珞珈伊云經過多年技術積累，結合行業發展趨勢和客戶需求傾力打造的一款輕小型機載激光雷達系統，其中的關鍵核心部件如高重頻測距模塊、高速掃描棱鏡模塊以及高精度測角模塊均實現自主研制、自主可控，完全國產化，擁有自主知識產權。“它的特點可以用‘輕、快、好、省’四個字來概括。”毛慶洲為記者介紹。

 

FT1500激光雷達

 

“輕”就是重量輕。FT1500標準版的整機重量只有2.9千克，而進階版重量僅2.4千克，是市面上最輕的千米級機載激光雷達系統，可用于各類無人機乃至直升機作業平臺。

 

“快”就是測量快、掃描快。FT1500采用了獨特的偽隨機碼調制激光脈沖間隔和序列測距求解方法，突破了傳統激光測距與測量頻率乘積必須小于1/2光速的限制，最大可達每秒鐘200萬點的測量頻率，在相同飛行條件下點密度是傳統激光雷達的4倍～6倍，同時采用了獨特的塔鏡掃描結構，搭配自主設計的高頻電機，每秒可產生300～600個激光剖面，對目標進行快速掃描，可以極大提高效率。

 

“好”就是測量精度好。FT1500采用數字波形在線實時處理的高精度測距技術，測距精度達到1毫米，掃描頻率達到3 0 0線～6 0 0線/秒，測角精度優于1/1000度，設備在500米航高情況下測量中誤差優于3厘米。

 

“省”就是節省時間。小于3千克的機身可以大幅提高無人機的作業時長，高達200萬點/秒的測量頻率、600線/秒的掃描頻率就可以極大提高無人機在作業時的高度和速度，FT1500可以綜合提高作業效率，節省外業數據采集時間。毛慶洲介紹道：“據統計，FT1500搭載于多旋翼無人機，按照45分鐘航時計算，單個架次可完成近10平方千米的地形數據采集，搭載固定翼無人機按照120分鐘航時計算單個架次可完成近100平方千米的地形數據采集。”

 

最實在的認可是應用，最好的防守是創新

 

作為國產激光雷達的“新星”，FT1500系列輕小型機載激光雷達系統一經推出，便開始在地形測繪、城市建模、岸線測量、農林調查、電力巡檢、應急搶險等多個“舞臺”上閃耀。

 

 

今年4月，在中國鐵建第五勘察設計院的邀請下，珞珈伊云研制的系列激光雷達正式“上崗”，對青藏鐵路格拉段路進行了測量，將傳統人工作業半年到一年的工期縮短到15天，并且提供了更高精度的鐵路沿線三維空間數據。“當時，青藏鐵路唐古拉山口車站海拔5000多米，氣溫零下十幾度，還伴隨著大雪和結冰，我們的激光雷達設備和團隊都經受了極寒天氣的考驗，出色地完成了此次任務。”談起這個項目，毛慶洲臉上露出自豪的笑容。

 

據了解，珞珈伊云研制的FT1500系列激光雷達已經應用于三維實景數字化的各個行業，遍布我國20多個省市。比如，在地鐵檢測領域，基于珞珈伊云研發的高精度激光雷達，武漢漢寧成功研制出地鐵隧道三維激光掃描裝置，目前已經完成武漢各條地鐵檢測工作，并在北京、青島、哈爾濱、長春、蘇州、常州、廈門、南寧、南京、寧波等二十余地進行工程應用，檢測結果經人工復核100%滿足要求，國內地鐵掃描市場應用占比達60%。

 

在農林業方面，FT1500系列激光雷達可獲取精確的植被冠層數據，為我國的精準農業戰略與“雙碳”戰略提供有效的基礎數據；此外，該系統還在智慧城市、地理信息全面數字化等方面作出了積極貢獻，為我國的實景三維中國建設提供了精確的數據支撐。

 

珞珈伊云研發車間

 

目前，珞珈伊云聯合深圳飛馬機器人、千尋位置、數字綠土以及際上導航等業內知名企業，正在測繪、檢測、監測三個領域全面發力，針對不同應用場景提供定制化的高精度激光雷達以及數據采集端解決方案。

新基建時代的測繪應著眼于經濟社會的數字化轉型方向，為信息基礎設施提供準確的時空信息無疑是不可或缺的一部分。“實景三維城市底座、全國森林區Lidar點云、三維實景的自然資源調查等城市規劃、農林調查領域都是我們激光雷達的應用方向。”毛慶洲如是說。

 

檢測更是珞珈伊云熟悉的領域，“夕睿和漢寧已經和珞珈伊云進行了長期的合作。在檢測方面，我們有著十足的經驗。”隨著科技的發展，人們對作業效率、人員安全、作業模式等都提出了更高的要求。如在電力線運維領域，采用無人機搭載激光雷達代替人工巡線不僅免去了人員的翻山越嶺之苦，也讓作業效率大幅提升；在交通領域，國內軌道交通則向著智能運維轉型，用戶希望動力載體搭載三維激光設備進行軌道交通線路、橋梁及隧道等基礎設施狀態的快速、高精度檢測。

 

據了解，武漢漢寧研制的系列模塊化多平臺裝配式高鐵軌道和隧道精密移動測量裝備，已經在中國國家鐵路集團公司下屬各個鐵路局得到應用，完成京張高鐵、武廣高鐵等1萬多千米高鐵工務設施檢測和武漢局、南寧局等超過1000千米高鐵隧道檢測，成果推廣應用到“一帶一路”中巴經濟走廊鐵路通道、巴基斯坦既有ML-1線升級改造及新建哈維連陸港項目和青藏鐵路電氣化改造項目。

 

監測領域則是珞珈伊云傳感器未來發力的方向，在有精度要求的監測場景下，用測繪級高精度三維激光雷達替代常用的圖像、視頻或多線雷達的監測應用，一是能解決圖像、視頻監測沒有深度信息的不足，無法滿足體積變化監測的應用場景；二是解決多線雷達滿足不了的毫米級監測精度場景需求。例如軌道交通隧道口等異物入侵監測，重大基礎設施如機場、高鐵站大跨度鋼結構變形監測，堆場、糧倉等體積變化監測等場景。

 

目前，激光雷達開始走進發展的黃金期，應用場景正在突破人們的想象，走向方方面面，行業格局可謂“風云變幻”。毛慶洲用一句話概括了自己的態度：“最好的防守是創新。”就激光雷達而言，要將研發創新立足于整個國際、國家的科技創新體系中，立足于客戶的新需求、新問題。

 

“
毛慶洲認為珞珈伊云能在短短兩年間發展起來，也并沒有諱莫如深的“獨門秘籍”，也只是“立足研發、腳踏實地”。這也是珞珈伊云在變幻莫測的市場格局中生存下來的法寶，比起高調的營銷和宣傳策略，實力才是硬道理。

 

“立足研發是要求我們基于現有行業需求，結合現有前沿技術去解決客戶想解決的問題，去尋找和培育行業內的增量市場。”毛慶洲分析，隨著市場結構和供需關系的變化，市場的主要矛盾已經轉變成了“客戶日益增長的對高技術含量、強適用性產品和服務的需要和制造廠商技術有硬傷，商務來幫忙的傳統經營理念之間的矛盾”。

 

現在真正能打動客戶的，是你提供的產品能否滿足行業需求、直擊客戶痛點，是否技術含量高、附加價值足夠高。所以珞珈伊云一直將基于行業需求的研發工作作為企業的立足之本，并依托于武漢大學宇航科學與技術研究院的專家團隊，以強大的博士后、博士、碩士生作為人才儲備，充分發揮校企合作的優勢，加速激光雷達前沿技術產學研用的轉化。

 

“腳踏實地”可以形容專注，也可以高大上地叫做“戰略定力”。毛慶洲打趣道：“現在大家都在尋找所謂的‘風口’，有些甚至不惜放棄多年深耕，但見效緩慢的行業，去做一只在風口上的‘豬’，但很多人只看到了前一句‘站在風口上豬也會飛上天’，而忽略了下一句‘風停了最先掉下來的也是豬’。所以我們團隊20多年來一直專注于三維激光硬件技術的研發和應用的拓展，雖然市場容量目前不大，但我們也堅持在這個賽道上小步慢跑，終有會撥云見日的一天。”

 

全產業多學科協調發展破難題

 

除了在研發過程中遭遇的核心技術瓶頸，毛慶洲也坦誠地分享了珞珈伊云在市場上所遭遇的難題，他認為這些難題也是行業所面臨的共性問題。

 

“我們研制的產品從實驗室走向我國各地的作業現場，在產品的規模化推廣過程中，出現了兩個問題：一個是產能問題，我們推出的產品樣機一經合作伙伴測試后，廣受好評，供不應求。而我們研制的高精度激光雷達的生產是一個很耗時的過程，其中高精密光機器件的配合與整機的性能調試較為復雜，好產品無法快速復制并輸出到各個領域去應用，這無疑是很大的損失。我們意識到必須做出改變，于是下定決心重新設計產品。我們重新整理了多年來技術的積累與研制激光雷達過程中積攢的經驗，將復雜的激光雷達分解成幾個關鍵的模塊，這樣每個模塊之間又可以獨立工作，在生產時可以獨立完成調試，而輸出到市場上的激光雷達僅需要把這些核心的模塊組裝調試即可，為我們的生產提高了效率。”

 

另一個問題是價格，雖然珞珈伊云的產品與國外同等級別產品相比，已經具有很強的價格優勢，但是高精度激光雷達目前仍然屬于專業化裝備，并沒有達到消費級產品的水平，這主要受限于激光雷達涉及到的光機電上下游產業鏈的發展。

 

目前，珞珈伊云一邊以相對優秀的“性能價格比”在國內培育市場，讓更多領域用上可以解決實際問題的好產品；另一方面也通過模塊化設計、批量生產的布局來整合產業鏈資源。“相信在不久的將來，高分辨率激光雷達能成為每個行業都用得起的好產品！”

 

在采訪的最后，毛慶洲強調，對現實世界精準三維數字化是國家的重大需求，是發展“數智經濟”的基石。而高分辨率高精度激光雷達已成空間三維數據不可或缺的重要裝備。國產激光雷達產品要縮小與國際領先水平的差距，建立自有技術堡壘，必須加強測繪科學、信息科學、計算機科學、地理科學等學科之間的交叉融合，在基礎研究方面有質的新突破。同時，產業鏈上的上下游企業要整合資源，加強技術合作，取長補短，共同發力。只有這樣，才能真正實現高水平激光雷達技術自立自強，開創屬于中國人自己的高精度激光雷達產業新時代！