固態(tài)激光雷達(dá)工作原理

何為固態(tài)激光雷達(dá)？

    理論上來說，固態(tài)激光雷達(dá)是完全沒有移動(dòng)部件的雷達(dá)，光相控陣（OpticalPhased Array）及Flash是其典型技術(shù)路線，也被認(rèn)為是純固態(tài)激光雷達(dá)方案。但近年來，一些非完全旋轉(zhuǎn)的激光雷達(dá)也被統(tǒng)稱為“固態(tài)激光雷達(dá)”，它們具備了固態(tài)激光雷達(dá)很多的性能特點(diǎn)，如分辨率高、有限水平FOV（前向而不是360°）等，但這些技術(shù)方案會(huì)有一些微小的移動(dòng)部件，從嚴(yán)格意義上來說不能算純固態(tài)激光雷達(dá)。

固態(tài)激光雷達(dá)工作原理

        固態(tài)激光雷達(dá)主要是依靠波的反射或接收來探測目標(biāo)的特性，大多源自三維圖像傳感器的研究，實(shí)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(yuǎn)處發(fā)射的紅外線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在系統(tǒng)焦平面的這些感光元件上，探測器將接受到光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行積分放大、采樣保持，通過輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng)，最終送達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)形成圖像。

固態(tài)激光雷達(dá)形成的三種技術(shù)路線

經(jīng)過多年的發(fā)展，固態(tài)激光雷達(dá)的基本框架已經(jīng)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(jī)電系統(tǒng)

MEMS指代的是將機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行微型化、電子化的設(shè)計(jì)，將原本體積較大的機(jī)械結(jié)構(gòu)通過微電子工藝集成在硅基芯片上，進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。技術(shù)成熟，完全可以量產(chǎn)。主要是通過MEMS微鏡來實(shí)現(xiàn)垂直方面的一維掃描，整機(jī)360度水平旋轉(zhuǎn)來完成水平掃描，而其光源是采用光纖激光器，這主要是由于905納米的管子重頻做不高，重頻一高平均功率就會(huì)太大，會(huì)影響激光管的壽命。

從嚴(yán)格意義上來說，MEMS并不算是純固態(tài)激光雷達(dá)，這是因?yàn)樵贛EMS方案中并沒有完全消除機(jī)械，而是將機(jī)械微型化了，掃描單元變成了MEMS微鏡。

2．OPA（optical phased array）光學(xué)相控陣技術(shù)

相比其他技術(shù)方案，OPA方案給大家描述了一個(gè)激光雷達(dá)芯片級(jí)解決方案的美好前景，它主要是采用多個(gè)光源組成陣列，通過控制各光源發(fā)光時(shí)間差，合成具有特定方向的主光束。然后再加以控制，主光束便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向的掃描。雷達(dá)精度可以做到毫米級(jí)，且順應(yīng)了未來激光雷達(dá)固態(tài)化、小型化以及低成本化的趨勢，但難點(diǎn)在于如何把單位時(shí)間內(nèi)測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提高以及投入成本巨大等問題。

3．Flash

Flash激光雷達(dá)的原理也是快閃，它不像MEMS或OPA的方案會(huì)去進(jìn)行掃描，而是短時(shí)間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，再以高度靈敏的接收器，來完成對(duì)環(huán)境周圍圖像的繪制。

何為固態(tài)激光雷達(dá)？

    理論上來說，固態(tài)激光雷達(dá)是完全沒有移動(dòng)部件的雷達(dá)，光相控陣（OpticalPhased Array）及Flash是其典型技術(shù)路線，也被認(rèn)為是純固態(tài)激光雷達(dá)方案。但近年來，一些非完全旋轉(zhuǎn)的激光雷達(dá)也被統(tǒng)稱為“固態(tài)激光雷達(dá)”，它們具備了固態(tài)激光雷達(dá)很多的性能特點(diǎn)，如分辨率高、有限水平FOV（前向而不是360°）等，但這些技術(shù)方案會(huì)有一些微小的移動(dòng)部件，從嚴(yán)格意義上來說不能算純固態(tài)激光雷達(dá)。

固態(tài)激光雷達(dá)工作原理

        固態(tài)激光雷達(dá)主要是依靠波的反射或接收來探測目標(biāo)的特性，大多源自三維圖像傳感器的研究，實(shí)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(yuǎn)處發(fā)射的紅外線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在系統(tǒng)焦平面的這些感光元件上，探測器將接受到光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行積分放大、采樣保持，通過輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng)，最終送達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)形成圖像。

固態(tài)激光雷達(dá)形成的三種技術(shù)路線

經(jīng)過多年的發(fā)展，固態(tài)激光雷達(dá)的基本框架已經(jīng)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(jī)電系統(tǒng)

MEMS指代的是將機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行微型化、電子化的設(shè)計(jì)，將原本體積較大的機(jī)械結(jié)構(gòu)通過微電子工藝集成在硅基芯片上，進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。技術(shù)成熟，完全可以量產(chǎn)。主要是通過MEMS微鏡來實(shí)現(xiàn)垂直方面的一維掃描，整機(jī)360度水平旋轉(zhuǎn)來完成水平掃描，而其光源是采用光纖激光器，這主要是由于905納米的管子重頻做不高，重頻一高平均功率就會(huì)太大，會(huì)影響激光管的壽命。

從嚴(yán)格意義上來說，MEMS并不算是純固態(tài)激光雷達(dá)，這是因?yàn)樵贛EMS方案中并沒有完全消除機(jī)械，而是將機(jī)械微型化了，掃描單元變成了MEMS微鏡。

2．OPA（optical phased array）光學(xué)相控陣技術(shù)

相比其他技術(shù)方案，OPA方案給大家描述了一個(gè)激光雷達(dá)芯片級(jí)解決方案的美好前景，它主要是采用多個(gè)光源組成陣列，通過控制各光源發(fā)光時(shí)間差，合成具有特定方向的主光束。然后再加以控制，主光束便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向的掃描。雷達(dá)精度可以做到毫米級(jí)，且順應(yīng)了未來激光雷達(dá)固態(tài)化、小型化以及低成本化的趨勢，但難點(diǎn)在于如何把單位時(shí)間內(nèi)測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提高以及投入成本巨大等問題。

3．Flash

Flash激光雷達(dá)的原理也是快閃，它不像MEMS或OPA的方案會(huì)去進(jìn)行掃描，而是短時(shí)間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，再以高度靈敏的接收器，來完成對(duì)環(huán)境周圍圖像的繪制。