固態激光雷達原理及優劣

 

激光雷達被認爲是各行各業的關鍵傳感技術，在機器人、無人駕駛、智慧城市等領域充當着推進者的角色。而近年來一直被寄予厚望的固態激光雷達成爲業內關注的熱點。

何爲固態激光雷達？

理論上來講，固態激光雷達是徹底沒有移動部件的雷達，光相控陣（Optical Phased Array）及Flash是其典型技術路線，也被認爲是純固態激光雷達方案。

但近年來，一些非徹底旋轉的激光雷達也被統稱爲「固態激光雷達」，它們具有了固態激光雷達不少的性能特色，如分辨率高、有限水平FOV（前向而不是360°）等，但這些技術方案會有一些微小的移動部件，從嚴格意義上來講不能算純固態激光雷達。

 

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固態激光雷達工做原理

固態激光雷達主要是依靠波的反射或接收來探測目標的特性，大多源自三維圖像傳感器的研究，實際源自紅外焦平面成像儀，焦平面探測器的焦平面上排列着感光元件陣列，從無限遠處發射的紅外線通過光學系統成像在系統焦平面的這些感光元件上，探測器將接受到光信號轉換爲電信號並進行積分放大、採樣保持，經過輸出緩衝和多路傳輸系統，最終送達監視系統造成圖像。

 

固態激光雷達造成的三種技術路線

通過多年的發展，固態激光雷達的基本框架已經比較清晰了，如下是目前主流的三種方案。

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

MEMS指代的是將機械機構進行微型化、電子化的設計，將本來體積較大的機械結構經過微電子工藝集成在硅基芯片上，進行大規模生產。技術成熟，徹底能夠量產。主要是經過MEMS微鏡來實現垂直方面的一維掃描，整機360度水平旋轉來完成水平掃描，而其光源是採用光纖激光器，這主要是因爲905納米的管子重頻作不高，重頻一高平均功率就會太大，會影響激光管的壽命。

從嚴格意義上來講，MEMS並不算是純固態激光雷達，這是由於在MEMS方案中並無徹底消除機械，而是將機械微型化了，掃描單元變成了MEMS微鏡。

2.OPA（optical phased array）光學相控陣技術

相比其餘技術方案，OPA方案給你們描述了一個激光雷達芯片級解決方案的美好前景，它主要是採用多個光源組成陣列，經過控制各光源發光時間差，合成具備特定方向的主光束。而後再加以控制，主光束即可以實現對不一樣方向的掃描。雷達精度能夠作到毫米級，且順應了將來激光雷達固態化、小型化以及低成本化的趨勢，但難點在於如何把單位時間內測量的點雲數據提升以及投入成本巨大等問題。

3.Flash

Flash激光雷達的原理也是快閃，它不像MEMS或OPA的方案會去進行掃描，而是短期直接發射出一大片覆蓋探測區域的激光，再以高度靈敏的接收器，來完成對環境周圍圖像的繪製。

 

固態激光雷達的優劣

利用光學相控陣掃描技術的固態激光雷達的確有不少優點，例如：

①其結構簡單，尺寸小，無需旋轉部件，在結構和尺寸上能夠大大壓縮，提升使用壽命並使其成本下降。

②掃描精度高，光學相控陣的掃描精度取決於控制電信號的精度，能夠達到千分之一度量級以上。

③可控性好，在容許的角度範圍內能夠作到任意指向，能夠在重點區域進行高密度的掃描。

④掃描速度快，光學相控陣的掃描速度取決於所用材料的電子學特性，通常均可以達到MHz量級。

 

固然固態激光雷達也一樣存在一些劣勢，如：

①掃描角有限，固態意味着激光雷達不能進行360度旋轉，只能探測前方。所以要實現全方位掃描，需在不一樣方向佈置多個（至少先後兩個）固態激光雷達

②旁瓣問題，光柵衍射除了中央明紋外還會造成其餘明紋，這一問題會讓激光在最大功率方向之外造成旁瓣，分散激光的能量。

③加工難度高，光學相控陣要求陣列單元尺寸必須不大於半個波長，通常目前激光雷達的工做波長均在1微米左右，故陣列單元的尺寸必須不大於500nm。並且陣列密度越高，能量也越集中，這都提升了對加工精度的要求，須要必定的技術突破。

④接收面大、信噪比差：傳統機械雷達只須要很小的接收窗口，但固態激光雷達卻須要一整個接收面，所以會引入較多的環境光噪聲，增長了掃描解析的難度。

總的來講，目前，固態激光雷達在其本該有的特性上（可靠性強、成本低及測距遠），市面上現有的雷達產品很難同時知足，這也決定了固態激光雷達在短期內是很難被產品化。同時也致使了目前全部固態雷達公司的交貨日期都在不斷延長。

雖然不少業內人士預測，將來固態化、小型化、低成本化將是將來激光雷達的發展趨勢，但目前，機械式激光雷達還是主流。

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