科普：一文了解固态和半固态激光雷达

激光雷达（LiDAR，Laser Detecting and Ranging）作为一种先进的传感技术，通过发射激光脉冲并测量其返回时间来计算目标距离，被广泛应用于自动驾驶、机器人、工业自动化等领域。随着技术的发展，激光雷达经历了从机械式到半固态再到固态的演变过程。本文将深入探讨固态和半固态激光雷达的工作原理、特点及其应用。

一、半固态激光雷达

半固态激光雷达是介于机械式和固态激光雷达之间的一种过渡形态，它通过部分机械运动实现扫描。半固态激光雷达主要可以分为一维扫描和二维扫描两类，而根据其运动部件的不同，又可以细分为MEMS（微机电系统）半固态激光雷达、转镜类半固态激光雷达和棱镜类半固态激光雷达。

1. MEMS半固态激光雷达

MEMS半固态激光雷达的核心是一个微小的反射镜（MEMS微镜），通过电静力或热致动方式实现快速精确的运动，从而改变激光束的方向。MEMS微镜集成在半导体基板上，尺寸小且重量轻，能够实现高频率的扫描。这种激光雷达具有高分辨率和快速扫描能力，适用于动态场景下的环境感知和障碍物检测。然而，MEMS微镜的扫描角度有限，通常在120度以内，难以实现360度全景扫描。

2. 转镜类半固态激光雷达

转镜类半固态激光雷达依靠一个旋转的反射镜实现激光的扫描。这种激光雷达通常包含一个电机和镀膜反射镜，反射镜可以是三面或四面，通过匀速旋转实现全方位扫描。转镜类激光雷达具有结构简单、可靠性高的优点，但扫描频率和精度可能受到电机性能和反射镜材料的影响。

3. 棱镜类半固态激光雷达

棱镜类半固态激光雷达采用一个不断旋转的多边形棱镜和一个可以在纵轴摆动的镜子来改变激光方向。这种设计仅需一束光源就能完成多个光源才能完成的扫描任务，但扫描频率和功率要求较高，给扫描器件带来了可靠性方面的挑战。

二、固态激光雷达

固态激光雷达是激光雷达技术发展的最新阶段，其内部没有任何机械运动部件，结构最为简单且集成度最高。固态激光雷达主要分为相控阵（OPA）激光雷达和Flash激光雷达两种技术路线。

1. 相控阵（OPA）激光雷达

相控阵激光雷达通过控制激光束的相位来改变扫描方向。这种激光雷达由多个激光发射单元组成发射阵列，通过调节各个单元的相位差，实现激光光束的发射角度变化。相控阵激光雷达具有高精度和高分辨率的优点，且扫描频率可以非常高，适用于需要快速响应和高精度测量的场景。然而，相控阵激光雷达的技术复杂度较高，成本也相对较高。

2. Flash激光雷达

Flash激光雷达则通过高密度的激光源阵列，像手电筒一样在短时间内发射出覆盖一片区域的激光，并用高灵敏度的接收器来构建三维图像。Flash激光雷达的发射光线会散布在整个视场内，因此其探测的视场角（FoV）越大，激光功率密度越低，探测距离和精度也会相应降低。为了提升性能，可寻址扫描Flash激光雷达被开发出来，通过依次点亮发射器实现空间区域的扫描，但仍然存在远距离检测和大角度覆盖的难题。

三、固态与半固态激光雷达的应用

固态和半固态激光雷达在自动驾驶、机器人、工业自动化等领域具有广泛的应用前景。

1. 自动驾驶

在自动驾驶领域，固态和半固态激光雷达被用于环境感知、障碍物检测和3D地图构建。半固态激光雷达的高分辨率和快速扫描能力使其适用于动态场景下的障碍物检测，而固态激光雷达的高精度和高可靠性则使其成为自动驾驶汽车主激光雷达的理想选择。

2. 机器人

在机器人领域，固态和半固态激光雷达被用于导航和避障。通过提供高精度的三维环境信息，激光雷达帮助机器人在复杂环境中自主移动，实现精准定位和路径规划。

3. 工业自动化

在工业自动化领域，固态和半固态激光雷达被用于精密测量和检测，提高生产线的自动化和智能化水平。激光雷达的高精度和快速响应能力使其成为工业自动化系统中不可或缺的传感器之一。

四、结论

固态和半固态激光雷达作为激光雷达技术发展的最新成果，具有各自独特的工作原理和优势。半固态激光雷达通过部分机械运动实现高分辨率和快速扫描，适用于动态场景下的环境感知；而固态激光雷达则通过控制激光束的相位或发射阵列实现高精度和高可靠性，适用于需要快速响应和高精度测量的场景。随着技术的不断进步和成本的降低，固态和半固态激光雷达将在自动驾驶、机器人、工业自动化等领域发挥越来越重要的作用。

审核编辑 黄宇