新型固態(tài)化激光雷達(dá)技術(shù)綜述

劉博洋 梁洪峰

摘 要：該文從非機(jī)械掃描以及無掃描兩個(gè)方面，對(duì)新型固態(tài)化激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并從各項(xiàng)技術(shù)所采用的技術(shù)手段以及解決的技術(shù)問題等多個(gè)方面進(jìn)行了比較分析。以供該領(lǐng)域從業(yè)人員進(jìn)行參考，并為專利審查員了解該領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)提供幫助，以服務(wù)審查。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá) 固態(tài)化 非機(jī)械掃描 無掃描

中圖分類號(hào)：TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）05（a）-0064-04

激光雷達(dá)是一項(xiàng)傳統(tǒng)的技術(shù)，隨著無人車、無人機(jī)、機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了應(yīng)用于上述領(lǐng)域的新的技術(shù)問題，并產(chǎn)生了相關(guān)新的技術(shù)和產(chǎn)品。其目前被認(rèn)為是行走機(jī)器人（包括無人車、無人機(jī)）的核心感知部件，同時(shí)也是行走機(jī)器人智能感知技術(shù)的最可行的解決方案，因此新型激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)受到各方關(guān)注，成為資本市場(chǎng)追逐的重要目標(biāo)。

1 傳統(tǒng)機(jī)械掃描式激光雷達(dá)的缺陷

傳統(tǒng)的機(jī)械掃描式激光雷達(dá)雖然成本相對(duì)較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是存在較多缺陷，特別是基于車載方式的激光雷達(dá)，存在如下缺點(diǎn)。

（1）結(jié)構(gòu)笨重，馬達(dá)和多面體棱鏡重量和體積較大，容易造成機(jī)械磨損，不利于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)使用，掃描速度慢。

（2）光通過每一個(gè)多棱鏡的表面時(shí)，都會(huì)經(jīng)歷一段較短的不能接受光信號(hào)的時(shí)間，降低反射信號(hào)接收比，使得最大信號(hào)接收比一般低于70%。

（3）出于安全問題考慮，一般會(huì)使用對(duì)眼睛安全的波長(zhǎng)，但為了減少色散度，光窗數(shù)值孔徑一般較小。

為了解決機(jī)械掃描式激光雷達(dá)存在較多局限的問題，近年來應(yīng)用于行走機(jī)器人的新型激光雷達(dá)開始出現(xiàn)固態(tài)化、小型化和低成本的趨勢(shì)。而固態(tài)化技術(shù)無疑是新型激光雷達(dá)發(fā)展的重要方向。

2 新型激光雷達(dá)固態(tài)化技術(shù)

該文所指的固態(tài)化，主要與機(jī)械掃描式激光雷達(dá)相區(qū)別，指內(nèi)部無機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件的新型激光雷達(dá)。固態(tài)化技術(shù)又可以大體分為非機(jī)械掃描和非掃描兩種方式。

2.1 非機(jī)械掃描

非機(jī)械掃描最常用的是光學(xué)相控陣激光雷達(dá)，美國(guó)Quanergy公司的S3雷達(dá)即屬于此類固態(tài)化激光雷達(dá)①。光學(xué)相控陣激光雷達(dá)按光學(xué)相控的具體方式，又可進(jìn)一步細(xì)分為電光掃描和聲光掃描，目前多以電光掃描為主，且主要集中在相控陣掃描元件設(shè)計(jì)和改進(jìn)上，大體上有以下幾個(gè)主要方向。

2.1.1 光波導(dǎo)陣列

光波導(dǎo)陣列通過加電方式來實(shí)現(xiàn)光束掃描，利用光波導(dǎo)電光效應(yīng)，對(duì)波導(dǎo)芯層加載電壓，使每個(gè)波導(dǎo)芯層具有不同的附加折射率，波束得以在波導(dǎo)陣元輸出截面光場(chǎng)具有不同的附加相位差，相位差按一定規(guī)律分布可引起輸出光速的偏轉(zhuǎn)。通過相位差按照一定規(guī)律分布輸出，從而實(shí)現(xiàn)光束的掃描②。

利用電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光速掃描的技術(shù)除了基于光波導(dǎo)陣列的，還存在鈮酸鋰晶體、PLZT壓電陶瓷、液晶等方式，如表1所示不同光學(xué)相控陣方式特點(diǎn)比較。

2.1.2 基于鐵電疇工程的電光掃描器

鐵電體呈自發(fā)極化，且極化方向能隨外電場(chǎng)方向改變，鐵電體自發(fā)極化方向不相同，但在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)，各晶胞自發(fā)極化方向相同，這個(gè)小區(qū)域就稱為鐵電疇?；阼F電疇工程的電光掃描器具有掃描速度快、精度高、沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)和集成度高的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)二維掃描，很適合高精度的空間通信和跟瞄使用，但現(xiàn)有的器件大多為單光束偏轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，通光口徑小，難以制作出大孔徑的掃描器。

2.1.3 光纖光柵

采用雙色光在雙摻雜鈮酸鋰晶體中記錄非揮發(fā)局域體光柵，具有高衍射效率、低散射噪聲和實(shí)時(shí)處理的光折變體光柵固定方案。選取雙摻雜LiNbO3：Ce：Cu晶體、LiNbO3：Ce：Mn晶體或LiNbO3：Fe：Mn晶體作體全息光柵，并采用雙中心光固定全息記錄法③。

具體方式為：如圖1所示，電光控制二維激光光束掃描陣列由控制陣列和發(fā)射矩陣兩部分組成，控制陣列采用10個(gè)鈮酸鋰晶體電光開關(guān)單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)（編號(hào)100～109），每個(gè)單元可以在電場(chǎng)控制下對(duì)光束方向的90°偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)分束和定向傳輸。發(fā)射陣列為10×10的電光開關(guān)矩陣結(jié)構(gòu)（編號(hào)200～299），每個(gè)電光開關(guān)單元的信號(hào)光束的定向發(fā)射在電場(chǎng)的作用下實(shí)現(xiàn)。以上的控制陣列和發(fā)射陣列組合構(gòu)成了10+10×10的鈮酸鋰電光開關(guān)陣列結(jié)構(gòu)，電光開關(guān)設(shè)計(jì)采用光折變體全息光柵電光開關(guān)。當(dāng)光信號(hào)沿-x方向入射進(jìn)入掃描陣列，入射光沿控制陣列中晶體的光軸方向傳輸，如果對(duì)其中某一個(gè)單元，例如105號(hào)，施加半波電壓，則體光柵可以對(duì)入射光產(chǎn)生衍射，衍射光相對(duì)于原入射光方向偏轉(zhuǎn)90°后進(jìn)入發(fā)射陣列，在發(fā)射陣列中依然沿電光開關(guān)單元250～259的光軸方向傳輸，如果對(duì)其中某一個(gè)單元，例如255號(hào)，施加半波電壓，則該單元的體光柵對(duì)入射光產(chǎn)生衍射，衍射光在255號(hào)單元沿z軸方向出射，以一定的發(fā)射角在自由空間傳輸。同一列中每個(gè)光開關(guān)單元的發(fā)射角度是唯一確定的，通過改變出射面θ傾角的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)不同的光束出射角度，得以靈活地改變掃描范圍。

2.1.4 液晶材料

液晶雙折射率較大，驅(qū)動(dòng)電壓低，器件厚度可比電光晶體或電光陶瓷顯著減薄，可以降低電場(chǎng)邊緣效應(yīng)和光衍射并且較為方便地形成光束的二維掃描。因此，高雙折射率液晶為基礎(chǔ)的光相控陣也成為近些年來的研究熱點(diǎn)。一種材料構(gòu)成是：超高雙折射率的向列相液晶材料，其按質(zhì)量百分比，由具有較寬向列相范圍、較低熔點(diǎn)的二苯乙炔類衍生物的混合物A組分（含量25%～35%），具有較高雙折率的苯氰類化合物B組分（含量12%～18%），具有高雙折率且極性較大的嘧啶類化合物C組分（含量2%～8%），清亮點(diǎn)較高側(cè)基含氟的三聯(lián)苯類化合物D組分（含量5%～10%），具有高雙折射率且側(cè)基含氟的乙炔基聯(lián)苯類化合物E組分（含量30%～40%），粘度低的雙環(huán)己烷類化合物F組分（含量1%～5%），具有超高雙折射率的異硫氰基苯類化合物G組分（含量2%～8%）以及二氟乙烯類化合物H組份（含量1%～5%）組成，以上各個(gè)組分的質(zhì)量百分比之和為100%。該液晶為混合物，由多種具有不同分子結(jié)構(gòu)的化合物混配得到，具有超高雙折射率、相對(duì)較低的粘度、較大的介電各向異性以及較寬的使用溫度范圍。其中，A～H組分的化學(xué)式如圖2④。

圖2中，R1～R11為飽和烷基-CnH2n+1、飽和烷氧基-OCnH2n+1或末端為烯鍵的烷基鏈-CnH2nCH=CH2；X1～X7為H、F和N中的一種；A、B為下列基團(tuán)中的一種：

2.2 無掃描或非掃描

無掃描（亦稱非掃描）三維成像光雷達(dá)有著探測(cè)視場(chǎng)大、成像速度快、探測(cè)距離遠(yuǎn)、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)階段的無掃描三維成像光雷達(dá)技術(shù)有著兩類不同的實(shí)現(xiàn)方案：一類是利用三維成像傳感器件直接獲取目標(biāo)的三維圖像；另一類是利用二維成像傳感器件通過強(qiáng)度像與距離像合成的方法來獲得目標(biāo)的三維圖像。具體實(shí)現(xiàn)上主要包括以下幾種方法。

（1）基于面陣焦平面探測(cè)器的無掃描直接飛行時(shí)間測(cè)距法的三維成像激光雷達(dá)。該探測(cè)器將高精度的時(shí)間差測(cè)量電路集成到每個(gè)探測(cè)像元的后面，探測(cè)器的每個(gè)像元作為一個(gè)獨(dú)立的探測(cè)器，可單獨(dú)輸出信號(hào)，后續(xù)電路可測(cè)量從激光發(fā)射到接收到激光回波的時(shí)間差，反演出每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的距離信息，因此，只需發(fā)射一個(gè)激光脈沖，便可獲得被激光照射物體的整幅三維圖像，成像速度快。代表性的是FLASH激光成像雷達(dá)，其關(guān)鍵技術(shù)是FLASH傳感器的研制。目前國(guó)外已經(jīng)開發(fā)出較大面陣的具有時(shí)間測(cè)量能力的雪崩二極管陣列（APD）面陣探測(cè)器和蓋革模式的雪崩二極管陣列（GM-APD）面陣探測(cè)器，如圖3所示，由于這種高靈敏度的大面陣探測(cè)器制作工藝復(fù)雜，成像分辨率低，且目前國(guó)內(nèi)對(duì)該種器件的研究正處于實(shí)驗(yàn)樣品研制階段，無成品供應(yīng)。

（2）基于專用調(diào)制解調(diào)面陣探測(cè)器的無掃描間接飛行時(shí)間測(cè)距法的三維成像激光雷達(dá)。器件與普通圖像傳感器的區(qū)別：一是具有高速快門，能達(dá)到10 ns級(jí)曝光速度；二是具有曝光累積功能，能將連續(xù)多次曝光產(chǎn)生的信號(hào)累積。測(cè)距方法上采用基于余弦波-方波鑒相法的間接飛行時(shí)間測(cè)距法，在光子混頻探測(cè)器后續(xù)的計(jì)算電路中直接計(jì)算出各像素對(duì)應(yīng)的入射光的相位、幅值和偏移值，從而計(jì)算出各點(diǎn)的距離和灰度值，得到深度圖和灰度圖。目前國(guó)外已經(jīng)開發(fā)出相對(duì)成熟的調(diào)制解調(diào)面陣探測(cè)器，但是該探測(cè)器積分時(shí)間短、探測(cè)靈敏度低，因此成像距離只有十幾米，無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的三維成像。

（3）基于ICCD的無掃描間接飛行時(shí)間測(cè)距法的三維成像激光雷達(dá)。最初的無掃描三維成像技術(shù)都基于ICCD傳感器，對(duì)光源和像增強(qiáng)器增益進(jìn)行余弦波、方波或三角波等波形調(diào)制，按照間接飛行時(shí)間測(cè)距理論，實(shí)現(xiàn)三維信息測(cè)量。這一技術(shù)的代表性研究機(jī)構(gòu)有美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和日本廣播公司。國(guó)內(nèi)也有少量的研究機(jī)構(gòu)開展過這方面的研究。由于ICCD幀頻低、光源能量利用率低，該成像技術(shù)同樣具有成像速度低，作用距離近等缺點(diǎn)。

谷歌公司在其一篇專利“用于使用激光點(diǎn)云進(jìn)行物體檢測(cè)的方法和系統(tǒng)”中⑤提及的“3D選通觀察激光雷達(dá)”（3D gated viewing laser radar）是非掃描激光測(cè)距系統(tǒng)的示例，該篇專利采用了脈沖激光器和快速門控相機(jī)（fast gated camera）。使用CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）和混合CMOS/CCD（電荷耦合器件）制造技術(shù)建立在單個(gè)芯片上的高速檢測(cè)器陣列和調(diào)制敏感檢測(cè)器陣列執(zhí)行成像激光雷達(dá)。在這些設(shè)備中，通過解調(diào)制或以高速選通來對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行本地處理，使得能夠處理陣列來表示來自相機(jī)的圖像。使用這種技術(shù)，可以同時(shí)捕獲上千個(gè)像素來創(chuàng)建3D點(diǎn)云以表示激光雷達(dá)單元所檢測(cè)到的物體或場(chǎng)景。該“3D選通觀察激光雷達(dá)”即為上述（2）或（3）中的激光雷達(dá)。

對(duì)于上述（1）～（3）中存在的問題，一種解決方式是：基于光源調(diào)制解調(diào)的ICMOS高速三維成像激光雷達(dá)，利用高速 CMOS相機(jī)高幀頻和像增強(qiáng)器曝光時(shí)間可調(diào)制的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，在像增強(qiáng)器接收端對(duì)激光回波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后的信號(hào)為低頻光信號(hào)，這樣激光飛行時(shí)間的時(shí)間差體現(xiàn)為低頻光信號(hào)的相位差，高速CMOS相機(jī)對(duì)低頻光信號(hào)進(jìn)行采集，最后通過計(jì)算得到每個(gè)像素相位值，從而獲得整個(gè)目標(biāo)的三維信息⑥。

3 結(jié)語

（1）隨著無人車、無人機(jī)、機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)上對(duì)于應(yīng)用于以上行業(yè)的雷達(dá)有了新的需求，而新型的固態(tài)化激光雷達(dá)，可以解決傳統(tǒng)機(jī)械掃描式激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)笨重、信號(hào)接收比低以及安全系數(shù)差的技術(shù)問題，因此是未來激光雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)，包括我國(guó)在內(nèi)的各國(guó)從業(yè)者都已經(jīng)投入到新型固態(tài)化激光雷達(dá)的研制中來。

（2）雖然我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域從業(yè)人員已經(jīng)意識(shí)到了激光雷達(dá)的固態(tài)化是未來的發(fā)展趨勢(shì)，但是從上文對(duì)于各篇專利及期刊文獻(xiàn)的解讀中可以看出，相對(duì)于其他國(guó)家，尤其是美國(guó)，我國(guó)該項(xiàng)技術(shù)絕大部分掌握于各大科研院所以及高校手中，普遍處于研發(fā)試驗(yàn)階段。因此，將科研成果產(chǎn)業(yè)化是我國(guó)研究人員亟待解決的問題。

（3）固態(tài)化激光雷達(dá)包括非機(jī)械掃描以及無掃描兩條技術(shù)路線，而以美國(guó)Quanergy公司為首的激光雷達(dá)企業(yè)，已經(jīng)成功研制了如S3等的非機(jī)械掃描激光雷達(dá)產(chǎn)品，并已經(jīng)計(jì)劃進(jìn)入量產(chǎn)階段。將兩條技術(shù)路線進(jìn)行對(duì)比，非機(jī)械掃描的產(chǎn)業(yè)化在世界范圍已經(jīng)走在前沿，而我國(guó)的高校及科研院所在無掃描方面有了一定的技術(shù)積累，并沒有被國(guó)外拉開距離。因此，堅(jiān)持走產(chǎn)學(xué)研一體化道路，在無掃描激光雷達(dá)這條路線上實(shí)現(xiàn)突破，有助于我國(guó)在該產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)彎道超車。

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注釋

①US2015/0378241A1。

②CN205080260U。

③CN201203740Y。

④CN104140825A。

⑤CN105182358A。

⑥CN104931974A。