激光雷达(LiDAR)类型

激光雷达分类

根据有无机械部件来分,激光雷达可分为机械激光雷达和固态激光雷达。其中,机械激光雷达带有控制激光发射角度的旋转部件,而固态激光雷达则无需机械旋转部件,主要依靠电子部件来控制激光发射角度。固态激光雷达被认为是未来的大势所趋,但目前占据主流地位的仍然是机械激光雷达。

  • 机械激光雷达主要由光电二极管、MEMS 反射镜、激光发射接受装置等组成,其中机械旋转部件是指可 360° 控制激光发射角度的 MEMS 发射镜。
  • 固态激光雷达则与机械激光雷达不同,它通过光学相控阵列(Optical Phased Array,OPA)、光子集成电路(Photonic IC)以及远场辐射方向图(Far Field Radiation Pattern)等电子部件代替机械旋转部件实现发射激光角度的调整。

由于内部结构有所差别,两种激光雷达的大小也不尽相同,机械激光雷达体积更大,总体来说价格更为昂贵,但测量精度相对较高。而固态激光雷达尺寸较小,成本低,但测量精度相对会低一些。

此外,相比固态激光雷达,机械激光雷达有一个更为明显的优势就是其 360° 视场,可以在机器人或汽车的顶部固定安装一个激光雷达,便可360°感知周围环境。反观固态激光雷达,需要固定在某些适当的位置,视场角一般在 120° 以内。因此,如应用于无人车中,至少需要用到 4 台才能达到机械式激光雷达一样的覆盖范围,数量越多,也意味着成本越高。

固态激光雷达还有另一个不大明显的优势,人眼安全法规允许运动的激光源发射比固定激光源更高的功率。所有1级安全系统的设计必须确保人员不眨眼直视激光设备数秒钟,仍然不会受到伤害。

固态激光雷达

目前,固态激光雷达的实现方式有微机电系统(MEMS)、面阵闪光(Flash)技术和光学相控阵(OPA)技术。

  • MEMS 采用微扫描振镜结构进行激光束偏转,但是扫描范围受限于振镜的偏转范围。
  • Flash 技术采用类似照相机的工作模式,感光元件的每个像素点可以记录光子飞行的时间信息,由此能够输出具有深度信息的“三维”图像,但该技术视场角(FOV)受限,扫描速率较低。
  • OPA 扫描技术是基于微波相控阵列扫描理论和技术发展起来的新型光束指向控制技术,具有无惯性器件、精确稳定、方向可任意控制等优点。其工作原理为:激光器功率均分到多路相位调制器阵列,光场通过光学天线发射,在空间远场相干叠加形成一个具有较强能量的光束;经过特定相位调制后在光场的发射天线端产生波前的倾斜,从而在远场反映成光束的偏转,通过施加不同相位,可以获得不同角度的光束形成扫描的效果,无须机械扫描。

固态技术的紧凑芯片特性使得 LiDAR 不仅更坚固,而且还有助于节省扫描仪内的结构空间,使扫描仪达到极小的尺寸并降低成本。由于体积小,固态激光雷达可以集成到车辆、基础设施和建筑结构中。特别是在汽车领域,“得固态 LiDAR 者,得自动驾驶天下”已成为行业共识,为汽车 LiDAR 传感器提供同时具有美观和鲁棒性的解决方案。

我国的 镭神智能北科天绘速腾聚创禾赛科技 等已经开始在 MEMS 激光雷达领域展开研究,但仍未大规模商用;LeddarTech北醒科技光珀智能华科博创 等公司在 Flash 激光雷达领域不断推出产品。Quanergy 公司将相控阵列激光雷达引入商业视野,正研发适用于车内传感系统和无人驾驶汽车的全固态激光雷达。

总之,具有大扫描角度、高分辨率等性能的全固态、小型化激光雷达仍然需要进一步的研究。