科普：一文了解固態(tài)和半固態(tài)激光雷達(dá)

激光雷達(dá)（LiDAR，Laser Detecting and Ranging）作為一種先進(jìn)的傳感技術(shù)，通過發(fā)射激光脈沖并測量其返回時(shí)間來計(jì)算目標(biāo)距離，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛、機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)經(jīng)歷了從機(jī)械式到半固態(tài)再到固態(tài)的演變過程。本文將深入探討固態(tài)和半固態(tài)激光雷達(dá)的工作原理、特點(diǎn)及其應(yīng)用。

一、半固態(tài)激光雷達(dá)

半固態(tài)激光雷達(dá)是介于機(jī)械式和固態(tài)激光雷達(dá)之間的一種過渡形態(tài)，它通過部分機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)掃描。半固態(tài)激光雷達(dá)主要可以分為一維掃描和二維掃描兩類，而根據(jù)其運(yùn)動(dòng)部件的不同，又可以細(xì)分為MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）半固態(tài)激光雷達(dá)、轉(zhuǎn)鏡類半固態(tài)激光雷達(dá)和棱鏡類半固態(tài)激光雷達(dá)。

1. MEMS半固態(tài)激光雷達(dá)

MEMS半固態(tài)激光雷達(dá)的核心是一個(gè)微小的反射鏡（MEMS微鏡），通過電靜力或熱致動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)快速精確的運(yùn)動(dòng)，從而改變激光束的方向。MEMS微鏡集成在半導(dǎo)體基板上，尺寸小且重量輕，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻率的掃描。這種激光雷達(dá)具有高分辨率和快速掃描能力，適用于動(dòng)態(tài)場景下的環(huán)境感知和障礙物檢測。然而，MEMS微鏡的掃描角度有限，通常在120度以內(nèi)，難以實(shí)現(xiàn)360度全景掃描。

2. 轉(zhuǎn)鏡類半固態(tài)激光雷達(dá)

轉(zhuǎn)鏡類半固態(tài)激光雷達(dá)依靠一個(gè)旋轉(zhuǎn)的反射鏡實(shí)現(xiàn)激光的掃描。這種激光雷達(dá)通常包含一個(gè)電機(jī)和鍍膜反射鏡，反射鏡可以是三面或四面，通過勻速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)全方位掃描。轉(zhuǎn)鏡類激光雷達(dá)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但掃描頻率和精度可能受到電機(jī)性能和反射鏡材料的影響。

3. 棱鏡類半固態(tài)激光雷達(dá)

棱鏡類半固態(tài)激光雷達(dá)采用一個(gè)不斷旋轉(zhuǎn)的多邊形棱鏡和一個(gè)可以在縱軸擺動(dòng)的鏡子來改變激光方向。這種設(shè)計(jì)僅需一束光源就能完成多個(gè)光源才能完成的掃描任務(wù)，但掃描頻率和功率要求較高，給掃描器件帶來了可靠性方面的挑戰(zhàn)。

二、固態(tài)激光雷達(dá)

固態(tài)激光雷達(dá)是激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的最新階段，其內(nèi)部沒有任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)最為簡單且集成度最高。固態(tài)激光雷達(dá)主要分為相控陣（OPA）激光雷達(dá)和Flash激光雷達(dá)兩種技術(shù)路線。

1. 相控陣（OPA）激光雷達(dá)

相控陣激光雷達(dá)通過控制激光束的相位來改變掃描方向。這種激光雷達(dá)由多個(gè)激光發(fā)射單元組成發(fā)射陣列，通過調(diào)節(jié)各個(gè)單元的相位差，實(shí)現(xiàn)激光光束的發(fā)射角度變化。相控陣激光雷達(dá)具有高精度和高分辨率的優(yōu)點(diǎn)，且掃描頻率可以非常高，適用于需要快速響應(yīng)和高精度測量的場景。然而，相控陣激光雷達(dá)的技術(shù)復(fù)雜度較高，成本也相對(duì)較高。

2. Flash激光雷達(dá)

Flash激光雷達(dá)則通過高密度的激光源陣列，像手電筒一樣在短時(shí)間內(nèi)發(fā)射出覆蓋一片區(qū)域的激光，并用高靈敏度的接收器來構(gòu)建三維圖像。Flash激光雷達(dá)的發(fā)射光線會(huì)散布在整個(gè)視場內(nèi)，因此其探測的視場角（FoV）越大，激光功率密度越低，探測距離和精度也會(huì)相應(yīng)降低。為了提升性能，可尋址掃描Flash激光雷達(dá)被開發(fā)出來，通過依次點(diǎn)亮發(fā)射器實(shí)現(xiàn)空間區(qū)域的掃描，但仍然存在遠(yuǎn)距離檢測和大角度覆蓋的難題。

三、固態(tài)與半固態(tài)激光雷達(dá)的應(yīng)用

固態(tài)和半固態(tài)激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛、機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

1. 自動(dòng)駕駛

在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，固態(tài)和半固態(tài)激光雷達(dá)被用于環(huán)境感知、障礙物檢測和3D地圖構(gòu)建。半固態(tài)激光雷達(dá)的高分辨率和快速掃描能力使其適用于動(dòng)態(tài)場景下的障礙物檢測，而固態(tài)激光雷達(dá)的高精度和高可靠性則使其成為自動(dòng)駕駛汽車主激光雷達(dá)的理想選擇。

2. 機(jī)器人

在機(jī)器人領(lǐng)域，固態(tài)和半固態(tài)激光雷達(dá)被用于導(dǎo)航和避障。通過提供高精度的三維環(huán)境信息，激光雷達(dá)幫助機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中自主移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和路徑規(guī)劃。

3. 工業(yè)自動(dòng)化

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，固態(tài)和半固態(tài)激光雷達(dá)被用于精密測量和檢測，提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化和智能化水平。激光雷達(dá)的高精度和快速響應(yīng)能力使其成為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中不可或缺的傳感器之一。

四、結(jié)論

固態(tài)和半固態(tài)激光雷達(dá)作為激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的最新成果，具有各自獨(dú)特的工作原理和優(yōu)勢。半固態(tài)激光雷達(dá)通過部分機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高分辨率和快速掃描，適用于動(dòng)態(tài)場景下的環(huán)境感知；而固態(tài)激光雷達(dá)則通過控制激光束的相位或發(fā)射陣列實(shí)現(xiàn)高精度和高可靠性，適用于需要快速響應(yīng)和高精度測量的場景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，固態(tài)和半固態(tài)激光雷達(dá)將在自動(dòng)駕駛、機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

審核編輯 黃宇