詳細分析光學(xué)相控陣LiDAR

由于全固態(tài)LiDAR內(nèi)部沒有任何宏觀或微觀上的運動部件，耐久性和可靠性的優(yōu)勢不言而喻，且順應(yīng)了自動駕駛對LiDAR固態(tài)化、小型化和低成本化的趨勢，因此成為車用激光雷達的趨勢。下面就按照不同的固態(tài)激光雷達技術(shù)做簡單介紹。首先要介紹的是光學(xué)相控陣LiDAR。

1.光學(xué)相控陣LiDAR

激光雷達從機械轉(zhuǎn)動向聚束成形的進化趨勢與雷達完全相同：軍事上廣泛應(yīng)用的相控陣?yán)走_一般擁有上千個發(fā)射天線單元，通過調(diào)節(jié)波束合成的方式，可以改變雷達掃描的方向而不需要機械部件運轉(zhuǎn)，靈活性很高，適合應(yīng)對高機動目標(biāo)，還可發(fā)射窄波束作為電子戰(zhàn)天線。

對于激光雷達，為了完全取消機械結(jié)構(gòu)，考慮通過調(diào)節(jié)發(fā)射陣列中每個發(fā)射單元的相位差來改變激光的出射角度，采用相控陣原理實現(xiàn)固態(tài)激光雷達。

那么什么是相控陣原理呢？生活中最常見的干涉例子是水波，兩處振動產(chǎn)生的水波相互疊加，有的方向兩列波互相增強，有的方向正好抵消，將這個原理放大，采用多個光源組成陣列，通過控制各光源發(fā)射的時間差，就能合成角度靈活，且精密可控的主光束，這就是相控陣的原理。

在光學(xué)相控陣（OPA，Optical Phased Array）LiDAR中，相控陣發(fā)射器由若干發(fā)射接收單元組成陣列，通過改變加載在不同單元的電壓，進而改變不同單元發(fā)射光波特性（如光強、相位），實現(xiàn)對每個單元光波的獨立控制，通過調(diào)節(jié)從每個相控單元輻射出的光波之間的相位關(guān)系，在設(shè)定方向上產(chǎn)生互相加強的干涉從而實現(xiàn)高強度光束，而其它方向上從各個單元射出的光波彼此相消，因此，輻射強度接近于零。組成相控陣的各相控單元在程序的控制下，可使一束或多束高強度光束的指向按設(shè)計的程序?qū)崿F(xiàn)隨機空域掃描。

光學(xué)相控陣是怎樣通過控制發(fā)射陣列中每個發(fā)射單元的相位差來改變激光的出射角度呢？

我們可以通過一個簡單的比喻來認識光學(xué)相控陣是如何工作的（如下圖 所示）：

假設(shè)有10個人在左側(cè)排成一列并排向前走，把他們的連線作為他們整體運動的陣列面，垂直于連線向右的方向為前進方向。

?如果10個人走路的速度都一樣時，則陣列面將平行向前移動，其前進方向不會發(fā)生改變，如下圖 （a）所示；

?如果最上方的人走得最慢，其他人的速度從上至下依次逐步增加，最下方的人走得最快，則陣列面不再是平行移動，當(dāng)經(jīng)過一段時間后，最下方的人走得路程最遠，最上方的人走得路程最短，其陣列面的前進方向?qū)⑾蛏戏桨l(fā)生明顯的角度改變，如下圖（b）所示；

?如果最上方的人走得最快，其他人的速度從上至下依次逐步減少，最下方的人走得最慢，則經(jīng)過一段時間后，陣列面的前進方向?qū)⑾蛳路桨l(fā)生明顯的角度改變，如下圖（c）所示。

光學(xué)相控陣的工作原理與上面的比喻類似，它的每一個單元都可以對所通過的光（人）的速度進行控制。當(dāng)一束光被分成許多個小單元（人），每小單元的光束（人）都通過一個光學(xué)相控陣單元，并被相控陣單元對其速度進行嚴(yán)格控制。當(dāng)每個小單元的光束以同樣的時間通過光學(xué)相控陣后，其速度恢復(fù)到進入光學(xué)相控陣前的速度，但由于每個小單元的光束所走過的光程（路程）不一樣，通過光學(xué)相控陣后合成的波陣面（上面比喻中的陣列面）將發(fā)生明顯變化，從而使得光束的指向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這就是光學(xué)相控陣的基本工作原理。

上面舉的是一維掃描的例子，如果我們把光學(xué)相控陣做成向二維陣列（比如下面介紹的Quanergy的方案），我們就可以實現(xiàn)二維的掃描。光學(xué)相控陣一般都是通過電信號對其相位進行嚴(yán)格的控制實現(xiàn)光束指向掃描，因此也可以稱為電子掃描技術(shù)。

在2016年美國CES展上，Quanergy展出的“固態(tài)”SolidState激光雷達，是光學(xué)相控陣激光雷達，其滿足了激光雷達小型化的大趨勢，整個尺寸只有90mm x60mm x60mm。用到的核心的技術(shù)有光學(xué)相控陣列Optical Phased Array、光學(xué)集成電路Photonic IC、遠場輻射方向圖Far FieldRadiation Pattern。這款產(chǎn)品完全沒有機械固件，可以稱得上的純固態(tài)激光雷達了。下圖是Quanergy公開的Solid State LiDAR S3光學(xué)相控陣掃描雷達工作原理示意圖。可以看出S3采用的是光學(xué)相控陣技術(shù)實現(xiàn)激光掃描，其原理與相控陣?yán)走_一樣，通過調(diào)節(jié)發(fā)射陣列中每個發(fā)射單元的相位差來改變激光的出射角度。

考慮到Quanergy公司的CEO兼聯(lián)合創(chuàng)始人Louay Eldada的技術(shù)背景和Quanergy對外發(fā)布的S3工作原理，如上圖所示，Quanergy應(yīng)該是采用了光通信中成熟的平面光波導(dǎo)技術(shù)制作光學(xué)相控陣掃描器件。為了獲得良好的相干合成效果，要求波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的尺寸非常微小，僅有幾百納米量級，可以承受通過的激光功率有限。這與水管越小，可容納的水流量越小一個道理。如果采用脈沖測距體制，將導(dǎo)致信噪比不足，探測距離有限，必須采用其他手段來彌補，譬如多脈沖、脈沖編碼或連續(xù)波調(diào)制等來提高信噪比。

另外，我們常說激光雷達的抗干擾能力強，那是因為傳統(tǒng)機械掃描的激光雷達接收視場特別小，外界的直接照射干擾信號很難對準(zhǔn)并進入激光雷達的接收視場。而且，激光雷達能接收到的背景光噪聲功率是與接收視場成正比的，視場越大，背景光噪聲功率越高。Quanergy的光學(xué)相控陣掃描僅能對發(fā)射激光束指向進行控制，不能實現(xiàn)接收光路進行同步掃描，這就要求S3激光雷達必須采用一個大視場的接收光學(xué)系統(tǒng)來接收激光的回波信號。如果掃描角度范圍為±60o，那么接收視場的角度也必須達到±60o，這會造成信噪比的下降，而且容易受到其他同類系統(tǒng)發(fā)射的激光信號和太陽直射的干擾。

綜合來說，與傳統(tǒng)機械掃描技術(shù)相比，光學(xué)相控陣掃描技術(shù)有三大優(yōu)勢：

?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)特性和器件的結(jié)構(gòu)，一般都可以達到MHz量級以上。

?掃描精度或指向精度高：光學(xué)相控陣的掃描精度取決于控制電信號的精度（一般為電壓信號），可以做到μrad（千分之一度）量級以上。

?可控性好：光學(xué)相控陣的光束指向完全由電信號控制，在允許的角度范圍內(nèi)可以做到任意指向，可以在感興趣的目標(biāo)區(qū)域進行高密度的掃描，在其他區(qū)域進行稀疏掃描，這對于自動駕駛環(huán)境感知非常有用。

但光學(xué)相控陣掃描技術(shù)也有它的缺點：

? 易形成旁瓣，影響光束作用距離和角分辨率：光束經(jīng)過光學(xué)相控陣器件后的光束合成實際是光波的相互干涉形成的，干涉效果易形成如下圖所示的旁瓣，使得激光能量被分散。

?加工難度高,制造工藝難度較大。光學(xué)相控陣要求陣列單元尺寸必須不大于半個波長，一般目前激光雷達的工作波長均在1微米左右，這就意味著陣列單元的尺寸必須不大于500納米。而且陣列數(shù)越多，陣列單元的尺寸越小，能量約往主瓣集中，這就對加工精度要求更高。

?此外，材料的研究和選擇也是非常關(guān)鍵的因素，到目前為止，鈮酸鋰晶體、PLZT壓電陶瓷、液晶和AlGaAs基波導(dǎo)光學(xué)相控已得到開發(fā)。未來，器件方面，進一步減小相控陣單元尺寸，提高衍射效率，減小器件尺寸；更為根本的材料研究方面，開發(fā)工作在中波紅外、長波紅外、紫外波段的液晶材料，以及繼續(xù)尋求具有大雙折射、響應(yīng)速度快、熱穩(wěn)定性高、耐強激光的高性能電光材料，同時發(fā)展對中長波和紫外波段具有較好透過率的電光材料，以擴展光學(xué)相控陣器件的應(yīng)用領(lǐng)域。