固态激光雷达原理及优劣

 

激光雷达被认为是各行各业的关键传感技术，在机器人、无人驾驶、智慧城市等领域充当着推进者的角色。而近年来一直被寄予厚望的固态激光雷达成为业内关注的热点。

何为固态激光雷达？

理论上来讲，固态激光雷达是彻底没有移动部件的雷达，光相控阵（Optical Phased Array）及Flash是其典型技术路线，也被认为是纯固态激光雷达方案。

但近年来，一些非彻底旋转的激光雷达也被统称为“固态激光雷达”，它们具有了固态激光雷达不少的性能特色，如分辨率高、有限水平FOV（前向而不是360°）等，但这些技术方案会有一些微小的移动部件，从严格意义上来讲不能算纯固态激光雷达。

 

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固态激光雷达工做原理

固态激光雷达主要是依靠波的反射或接收来探测目标的特性，大多源自三维图像传感器的研究，实际源自红外焦平面成像仪，焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线通过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，经过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统造成图像。

 

固态激光雷达造成的三种技术路线

通过多年的发展，固态激光雷达的基本框架已经比较清晰了，如下是目前主流的三种方案。

1.MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）微机电系统

MEMS指代的是将机械机构进行微型化、电子化的设计，将本来体积较大的机械结构经过微电子工艺集成在硅基芯片上，进行大规模生产。技术成熟，彻底能够量产。主要是经过MEMS微镜来实现垂直方面的一维扫描，整机360度水平旋转来完成水平扫描，而其光源是采用光纤激光器，这主要是因为905纳米的管子重频作不高，重频一高平均功率就会太大，会影响激光管的寿命。

从严格意义上来讲，MEMS并不算是纯固态激光雷达，这是由于在MEMS方案中并无彻底消除机械，而是将机械微型化了，扫描单元变成了MEMS微镜。

2.OPA（optical phased array）光学相控阵技术

相比其余技术方案，OPA方案给你们描述了一个激光雷达芯片级解决方案的美好前景，它主要是采用多个光源组成阵列，经过控制各光源发光时间差，合成具备特定方向的主光束。而后再加以控制，主光束即可以实现对不一样方向的扫描。雷达精度能够作到毫米级，且顺应了将来激光雷达固态化、小型化以及低成本化的趋势，但难点在于如何把单位时间内测量的点云数据提升以及投入成本巨大等问题。

3.Flash

Flash激光雷达的原理也是快闪，它不像MEMS或OPA的方案会去进行扫描，而是短期直接发射出一大片覆盖探测区域的激光，再以高度灵敏的接收器，来完成对环境周围图像的绘制。

 

固态激光雷达的优劣

利用光学相控阵扫描技术的固态激光雷达的确有不少优点，例如：

①其结构简单，尺寸小，无需旋转部件，在结构和尺寸上能够大大压缩，提升使用寿命并使其成本下降。

②扫描精度高，光学相控阵的扫描精度取决于控制电信号的精度，能够达到千分之一度量级以上。

③可控性好，在容许的角度范围内能够作到任意指向，能够在重点区域进行高密度的扫描。

④扫描速度快，光学相控阵的扫描速度取决于所用材料的电子学特性，通常均可以达到MHz量级。

 

固然固态激光雷达也一样存在一些劣势，如：

①扫描角有限，固态意味着激光雷达不能进行360度旋转，只能探测前方。所以要实现全方位扫描，需在不一样方向布置多个（至少先后两个）固态激光雷达

②旁瓣问题，光栅衍射除了中央明纹外还会造成其余明纹，这一问题会让激光在最大功率方向之外造成旁瓣，分散激光的能量。

③加工难度高，光学相控阵要求阵列单元尺寸必须不大于半个波长，通常目前激光雷达的工做波长均在1微米左右，故阵列单元的尺寸必须不大于500nm。并且阵列密度越高，能量也越集中，这都提升了对加工精度的要求，须要必定的技术突破。

④接收面大、信噪比差：传统机械雷达只须要很小的接收窗口，但固态激光雷达却须要一整个接收面，所以会引入较多的环境光噪声，增长了扫描解析的难度。

总的来讲，目前，固态激光雷达在其本该有的特性上（可靠性强、成本低及测距远），市面上现有的雷达产品很难同时知足，这也决定了固态激光雷达在短期内是很难被产品化。同时也致使了目前全部固态雷达公司的交货日期都在不断延长。

虽然不少业内人士预测，将来固态化、小型化、低成本化将是将来激光雷达的发展趋势，但目前，机械式激光雷达还是主流。

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