激光雷達(dá)的不同技術(shù)路線：機(jī)械式、半固態(tài)（又叫混合固態(tài)）和固態(tài)

固態(tài)、半固態(tài)、MEMS、轉(zhuǎn)鏡......這些術(shù)語在激光雷達(dá)行業(yè)都很“眼熟”，但你知道它們都是什么意思嗎？

今天，我們就來聊聊激光雷達(dá)的不同技術(shù)路線。

根據(jù)掃描方式的不同，激光雷達(dá)可分為機(jī)械式、半固態(tài)（又叫混合固態(tài)）和固態(tài)三種（1）。

其中，半固態(tài)激光雷達(dá)又可分為一維掃描和二維掃描兩類比較常見的方案。而固態(tài)激光雷達(dá)則主要有 OPA（相控陣）和 Flash（泛光面陣式）兩種主流技術(shù)路線。

機(jī)械式 360° 全方位感知

收發(fā) + 360° 掃描

先從發(fā)展歷史最悠久的機(jī)械式激光雷達(dá)開始說起，這類激光雷達(dá)通過電機(jī)帶動光機(jī)結(jié)構(gòu)整體 360° 旋轉(zhuǎn)，能對周遭環(huán)境進(jìn)行全方位的掃描，形成點(diǎn)云，在性能上達(dá)到最優(yōu)。

點(diǎn)云為禾賽科技 Pandar128 實測點(diǎn)云

作為激光雷達(dá)最經(jīng)典且發(fā)展最為成熟的技術(shù)方案，機(jī)械式激光雷達(dá)常應(yīng)用于 Robotaxi 的測試和迭代。但利用傳統(tǒng)分立式設(shè)計的機(jī)械式雷達(dá)體積大且降本空間有限，并不適用于車規(guī)級量產(chǎn)市場。

隨著激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，分立式的收發(fā)模塊已經(jīng)能通過半導(dǎo)體工藝實現(xiàn)集成，不僅能減少元器件數(shù)量、降低成本，也使得激光雷達(dá)內(nèi)部架構(gòu)變得簡單，提升量產(chǎn)的可靠性。

也就是說，經(jīng)過芯片化集成的收發(fā)模塊，加上 360° 旋轉(zhuǎn)的掃描模塊，就可以產(chǎn)生“新型”的機(jī)械式激光雷達(dá)，這種高性能、高可靠性、成本更優(yōu)的新一代機(jī)械式激光雷達(dá)，未來也有望進(jìn)入更廣泛的車規(guī)級應(yīng)用。

半固態(tài) 現(xiàn)階段量產(chǎn)車的主流方案

收發(fā) + 一維或二維掃描

目前，量產(chǎn)車領(lǐng)域主要搭載的是半固態(tài)激光雷達(dá)。這類激光雷達(dá)可分為一維掃描和二維掃描，它們的共同之處是，都通過內(nèi)部運(yùn)動的反射鏡來改變激光的方向。具體來看：

? 二維掃描

這一技術(shù)方案又可細(xì)分為 MEMS 和二維轉(zhuǎn)鏡兩種。

其中，MEMS 方案的核心是一個厘米尺度的振鏡，通過懸臂梁在橫縱兩軸高速周期運(yùn)動，從而改變激光反射方向，實現(xiàn)掃描。

相比傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)，MEMS 方案簡化了掃描結(jié)構(gòu)，通過控制微振鏡的偏轉(zhuǎn)角度就能改變掃描路徑，僅需幾個激光器就能達(dá)到等效機(jī)械式更多線束激光雷達(dá)的覆蓋區(qū)域和點(diǎn)云密度。

但這一方案的技術(shù)難點(diǎn)在于懸臂梁轉(zhuǎn)動角度有限，使得單個振鏡覆蓋的視場角很小，往往需要多臺拼接才能實現(xiàn)大視場角覆蓋，可能導(dǎo)致點(diǎn)云圖像在疊加邊緣出現(xiàn)不均勻的畸變和重疊，加大后續(xù)算法處理的難度。

再來看二維轉(zhuǎn)鏡方案，它由一個在橫軸不斷旋轉(zhuǎn)的多邊形棱鏡和一個可以在縱軸擺動的鏡子組成。例如下面就是一種市場上現(xiàn)有的二維轉(zhuǎn)鏡掃描示意，不斷旋轉(zhuǎn)的多邊形棱鏡可以讓光源實現(xiàn)水平掃描，而同時縱軸擺鏡則可以改變光源的垂直掃描方向。

按照這種設(shè)計方案，僅需一束光源，就可以完成機(jī)械式雷達(dá)若干個光源才能完成的掃描任務(wù)。但也正因為只有一束激光，要保證對三維世界的高清掃描，就要求掃描頻率非常高，同時要求的功率也更大，這就給掃描器件帶來了可靠性方面的挑戰(zhàn)。

? 一維掃描

與二維掃描結(jié)構(gòu)相比，一維掃描采用僅在水平方向上低速轉(zhuǎn)動的反射鏡來改變光線方向，獲得視場角覆蓋，穩(wěn)定性和可靠性更高。

2017 年法雷奧在行業(yè)中推出的第一款通過車規(guī)驗證的激光雷達(dá)，采用的正是這一技術(shù)方案。但此方案的局限性在于掃描線數(shù)較少，難以實現(xiàn)較高的分辨率。

實際上，這一難題已經(jīng)得到了解決。上一篇輕科普中提及，在一維轉(zhuǎn)鏡架構(gòu)中，線數(shù)等于激光器數(shù)，要想提高線數(shù)，就需要足夠多的激光器，行業(yè)前沿的芯片化技術(shù)已能夠在幾顆厘米級的芯片上集成 128 組激光收發(fā)模塊，足以保證高線數(shù)和高分辨率。

固態(tài) 未來的重要方向

面陣收發(fā) + 無運(yùn)動部件

其實，無論是機(jī)械式還是半固態(tài)，都是收發(fā)模塊搭配一種做機(jī)械運(yùn)動的掃描模塊，只要內(nèi)部有運(yùn)動部件，就不能算是純固態(tài)。而且歸根結(jié)底，掃描模塊只是一個機(jī)械部件，是一種“形式”，真正決定激光雷達(dá)性能的“本質(zhì)”，是其收發(fā)模塊。

只有在內(nèi)部沒有任何運(yùn)動部件的，才是純固態(tài)激光雷達(dá)。這種激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)最簡單，集成度最高。

目前，固態(tài)激光雷達(dá)主要有 OPA 和 Flash 兩種技術(shù)路線。

OPA 的原理是通過多個激光發(fā)射單元組成發(fā)射陣列，通過調(diào)節(jié)發(fā)射陣列中各個單元的相位差，來改變激光光束的發(fā)射角度。

而 Flash 則是通過高密度的激光源陣列，像手電筒一樣，能在短時間內(nèi)發(fā)射出覆蓋一片區(qū)域的激光，并用高靈敏度的接收器來構(gòu)建三維圖像。

禾賽科技 FT120 固態(tài)激光雷達(dá)

由于固態(tài)激光雷達(dá)取消了復(fù)雜和高頻轉(zhuǎn)動的機(jī)械結(jié)構(gòu)，不僅能降低物料和量產(chǎn)成本，也能提升產(chǎn)品可靠性、生產(chǎn)效率和一致性，能夠很好地應(yīng)用于車規(guī)級量產(chǎn)領(lǐng)域。

現(xiàn)階段，固態(tài)激光雷達(dá)的不足在于功率密度低、探測距離短，還不能作為主激光雷達(dá)大規(guī)模量產(chǎn)使用。但固態(tài)激光雷達(dá)的近距補(bǔ)盲能與半固態(tài)激光雷達(dá)的遠(yuǎn)距感知相組合，打造出完整的車規(guī)級激光雷達(dá)解決方案。

總結(jié)一下，不同的激光雷達(dá)技術(shù)路線各有千秋，且適用于不同的自動駕駛領(lǐng)域。機(jī)械式雷達(dá)能夠?qū)χ車h(huán)境進(jìn)行 360° 掃描；半固態(tài)激光雷達(dá)不管是一維還是二維架構(gòu)，內(nèi)部皆有運(yùn)動部件；純固態(tài)激光雷達(dá)則沒有任何運(yùn)動部件，結(jié)構(gòu)最為簡單。

編輯：黃飛

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