固態(tài)激光雷達(dá)的工作原理及優(yōu)劣

激光雷達(dá)被認(rèn)為是各行各業(yè)的關(guān)鍵傳感技術(shù)，在機(jī)器人、無人駕駛、智慧城市等領(lǐng)域充當(dāng)著推動者的角色。而近年來一直被寄予厚望的固態(tài)激光雷達(dá)成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)。

何為固態(tài)激光雷達(dá)？

理論上來說，固態(tài)激光雷達(dá)是完全沒有移動部件的雷達(dá)，光相控陣（Optical Phased Array）及Flash是其典型技術(shù)路線，也被認(rèn)為是純固態(tài)激光雷達(dá)方案。

但近年來，一些非完全旋轉(zhuǎn)的激光雷達(dá)也被統(tǒng)稱為“固態(tài)激光雷達(dá)”，它們具備了固態(tài)激光雷達(dá)很多的性能特點(diǎn)，如分辨率高、有限水平FOV（前向而不是360°）等，但這些技術(shù)方案會有一些微小的移動部件，從嚴(yán)格意義上來說不能算純固態(tài)激光雷達(dá)。

固態(tài)激光雷達(dá)工作原理

固態(tài)激光雷達(dá)主要是依靠波的反射或接收來探測目標(biāo)的特性，大多源自三維圖像傳感器的研究，實(shí)際源自紅外焦平面成像儀，焦平面探測器的焦平面上排列著感光元件陣列，從無限遠(yuǎn)處發(fā)射的紅外線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在系統(tǒng)焦平面的這些感光元件上，探測器將接受到光信號轉(zhuǎn)換為電信號并進(jìn)行積分放大、采樣保持，通過輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng)，最終送達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)形成圖像。

固態(tài)激光雷達(dá)形成的三種技術(shù)路線

經(jīng)過多年的發(fā)展，固態(tài)激光雷達(dá)的基本框架已經(jīng)比較清晰了，以下是目前主流的三種方案。

1．MEMS（Micro－Electro－Mechanical System）微機(jī)電系統(tǒng)

MEMS指代的是將機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行微型化、電子化的設(shè)計(jì)，將原本體積較大的機(jī)械結(jié)構(gòu)通過微電子工藝集成在硅基芯片上，進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。技術(shù)成熟，完全可以量產(chǎn)。主要是通過MEMS微鏡來實(shí)現(xiàn)垂直方面的一維掃描，整機(jī)360度水平旋轉(zhuǎn)來完成水平掃描，而其光源是采用光纖激光器，這主要是由于905納米的管子重頻做不高，重頻一高平均功率就會太大，會影響激光管的壽命。

從嚴(yán)格意義上來說，MEMS并不算是純固態(tài)激光雷達(dá)，這是因?yàn)樵贛EMS方案中并沒有完全消除機(jī)械，而是將機(jī)械微型化了，掃描單元變成了MEMS微鏡。

2．OPA（optical phased array）光學(xué)相控陣技術(shù)

相比其他技術(shù)方案，OPA方案給大家描述了一個(gè)激光雷達(dá)芯片級解決方案的美好前景，它主要是采用多個(gè)光源組成陣列，通過控制各光源發(fā)光時(shí)間差，合成具有特定方向的主光束。然后再加以控制，主光束便可以實(shí)現(xiàn)對不同方向的掃描。雷達(dá)精度可以做到毫米級，且順應(yīng)了未來激光雷達(dá)固態(tài)化、小型化以及低成本化的趨勢，但難點(diǎn)在于如何把單位時(shí)間內(nèi)測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提高以及投入成本巨大等問題。

3．Flash

Flash激光雷達(dá)的原理也是快閃，它不像MEMS或OPA的方案會去進(jìn)行掃描，而是短時(shí)間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，再以高度靈敏的接收器，來完成對環(huán)境周圍圖像的繪制。

固態(tài)激光雷達(dá)的優(yōu)劣

利用光學(xué)相控陣掃描技術(shù)的固態(tài)激光雷達(dá)的確有很多優(yōu)勢，例如：

①其結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，無需旋轉(zhuǎn)部件，在結(jié)構(gòu)和尺寸上可以大大壓縮，提高使用壽命并使其成本降低。

②掃描精度高，光學(xué)相控陣的掃描精度取決于控制電信號的精度，可以達(dá)到千分之一度量級以上。

③可控性好，在允許的角度范圍內(nèi)可以做到任意指向，可以在重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行高密度的掃描。

④掃描速度快，光學(xué)相控陣的掃描速度取決于所用材料的電子學(xué)特性，一般都可以達(dá)到MHz量級。

當(dāng)然固態(tài)激光雷達(dá)也同樣存在一些劣勢，如：

①掃描角有限，固態(tài)意味著激光雷達(dá)不能進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)，只能探測前方。因此要實(shí)現(xiàn)全方位掃描，需在不同方向布置多個(gè)（至少前后兩個(gè)）固態(tài)激光雷達(dá)

②旁瓣問題，光柵衍射除了中央明紋外還會形成其他明紋，這一問題會讓激光在最大功率方向以外形成旁瓣，分散激光的能量。

③加工難度高，光學(xué)相控陣要求陣列單元尺寸必須不大于半個(gè)波長，一般目前激光雷達(dá)的工作波長均在1微米左右，故陣列單元的尺寸必須不大于500nm。而且陣列密度越高，能量也越集中，這都提高了對加工精度的要求，需要一定的技術(shù)突破。

④接收面大、信噪比差：傳統(tǒng)機(jī)械雷達(dá)只需要很小的接收窗口，但固態(tài)激光雷達(dá)卻需要一整個(gè)接收面，因此會引入較多的環(huán)境光噪聲，增加了掃描解析的難度。

總的來說，目前，固態(tài)激光雷達(dá)在其本該有的特性上（可靠性強(qiáng)、成本低及測距遠(yuǎn)），市面上現(xiàn)有的雷達(dá)產(chǎn)品很難同時(shí)滿足，這也決定了固態(tài)激光雷達(dá)在短時(shí)間內(nèi)是很難被產(chǎn)品化。同時(shí)也導(dǎo)致了目前所有固態(tài)雷達(dá)公司的交貨日期都在不斷延長。

雖然很多業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，未來固態(tài)化、小型化、低成本化將是未來激光雷達(dá)的發(fā)展趨勢，但目前，機(jī)械式激光雷達(dá)仍是主流。

審核編輯 黃昊宇