固態鐳射雷達優劣

 

鐳射雷達被認為是各行各業的關鍵感測技術，在機器人、無人駕駛、智慧城市等領域充當著推動者的角色。而近年來一直被寄予厚望的固態鐳射雷達成為業內關注的熱點。

何為固態鐳射雷達？

理論上來說，固態鐳射雷達是完全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，也被認為是純固態鐳射雷達方案。

但近年來，一些非完全旋轉的鐳射雷達也被統稱為“固態鐳射雷達”，它們具備了固態鐳射雷達很多的效能特點，如解析度高、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，從嚴格意義上來說不能算純固態鐳射雷達。

固態鐳射雷達工作原理

固態鐳射雷達主要是依靠波的反射或接收來探測目標的特性，大多源自三維影像感測器的研究，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著感光元件陣列，從無限遠處發射的紅外線經過光學系統成像在系統焦平面的這些感光元件上，探測器將接受到光訊號轉換為電訊號並進行積分放大、取樣保持，透過輸出緩衝和多路傳輸系統，最終送達監視系統形成影像。

 

固態鐳射雷達形成的三種技術路線

經過多年的發展，固態鐳射雷達的基本框架已經比較清晰了，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，將原本體積較大的機械結構透過微電子工藝整合在矽基晶片上，進行大規模生產。技術成熟，完全可以量產。主要是透過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鐳射器，這主要是由於905奈米的管子重頻做不高，重頻一高平均功率就會太大，會影響鐳射管的壽命。

從嚴格意義上來說，MEMS並不算是純固態鐳射雷達，這是因為在MEMS方案中並沒有完全消除機械，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

相比其他技術方案，OPA方案給大家描述了一個鐳射雷達晶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，透過控制各光源發光時間差，合成具有特定方向的主光束。然後再加以控制，主光束便可以實現對不同方向的掃描。雷達精度可以做到毫米級，且順應了未來鐳射雷達固態化、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資料提高以及投入成本巨大等問題。

3.Flash

Flash鐳射雷達的原理也是快閃，它不像MEMS或OPA的方案會去進行掃描，而是短時間直接發射出一大片覆蓋探測區域的鐳射，再以高度靈敏的接收器，來完成對環境周圍影像的繪製。

 

固態鐳射雷達的優劣

利用光學相控陣掃描技術的固態鐳射雷達的確有很多優勢，例如：

①其結構簡單，尺寸小，無需旋轉部件，在結構和尺寸上可以大大壓縮，提高使用壽命並使其成本降低。

②掃描精度高，光學相控陣的掃描精度取決於控制電訊號的精度，可以達到千分之一度量級以上。

③可控性好，在允許的角度範圍內可以做到任意指向，可以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，一般都可以達到MHz量級。

 

當然固態鐳射雷達也同樣存在一些劣勢，如：

①掃描角有限，固態意味著鐳射雷達不能進行360度旋轉，只能探測前方。因此要實現全方位掃描，需在不同方向佈置多個（至少前後兩個）固態鐳射雷達

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

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，一般目前鐳射雷達的工作波長均在1微米左右，故陣列單元的尺寸必須不大於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，需要一定的技術突破。

④接收面大、訊雜比差：傳統機械雷達只需要很小的接收視窗，但固態鐳射雷達卻需要一整個接收面，因此會引入較多的環境光噪聲，增加了掃描解析的難度。

總的來說，目前，固態鐳射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滿足，這也決定了固態鐳射雷達在短時間內是很難被產品化。同時也導致了目前所有固態雷達公司的交貨日期都在不斷延長。

雖然很多業內人士預測，未來固態化、小型化、低成本化將是未來鐳射雷達的發展趨勢，但目前，機械式鐳射雷達仍是主流。