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固态激光雷达工作原理及三种主流技术方案技术

2019-12-31 16:44 次阅读

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动者的角色。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?

理论上来说,固态激光雷达是完全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,一些非完全旋转的激光雷达也被统称为“固态激光雷达”,它们具备了固态激光雷达很多的性能特点,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,从严格意义上来说不能算纯固态激光雷达。

固态激光雷达工作原理

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经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,通过输出缓冲和多路传输系统,最终送达监视系统形成图像。

固态激光雷达形成的三种技术路线

经过多年的发展,固态激光雷达的基本框架已经比较清晰了,以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,将原本体积较大的机械结构通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,完全可以量产。主要是通过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,这主要是由于905纳米的管子重频做不高,重频一高平均功率就会太大,会影响激光管的寿命。

从严格意义上来说,MEMS并不算是纯固态激光雷达,这是因为在MEMS方案中并没有完全消除机械,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

相比其他技术方案,OPA方案给大家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,通过控制各光源发光时间差,合成具有特定方向的主光束。然后再加以控制,主光束便可以实现对不同方向的扫描。雷达精度可以做到毫米级,且顺应了未来激光雷达固态化、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高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,而是短时间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很多优势,例如:

①其结构简单,尺寸小,无需旋转部件,在结构和尺寸上可以大大压缩,提高使用寿命并使其成本降低。

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,可以达到千分之一度量级以上。

③可控性好,在允许的角度范围内可以做到任意指向,可以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,一般都可以达到MHz量级。

当然固态激光雷达也同样存在一些劣势,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。因此要实现全方位扫描,需在不同方向布置多个(至少前后两个)固态激光雷达

②旁瓣问题,光栅衍射除了中央明纹外还会形成其他明纹,这一问题会让激光在最大功率方向以外形成旁瓣,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,一般目前激光雷达的工作波长均在1微米左右,故阵列单元的尺寸必须不大于500nm。而且阵列密度越高,能量也越集中,这都提高了对加工精度的要求,需要一定的技术突破。

④接收面大、信噪比差:传统机械雷达只需要很小的接收窗口,但固态激光雷达却需要一整个接收面,因此会引入较多的环境光噪声,增加了扫描解析的难度。

总的来说,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满足,这也决定了固态激光雷达在短时间内是很难被产品化。同时也导致了目前所有固态雷达公司的交货日期都在不断延长。

虽然很多业内人士预测,未来固态化、小型化、低成本化将是未来激光雷达的发展趋势,但目前,机械式激光雷达仍是主流。

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