新型固態化激光雷達技術綜述

劉博洋 梁洪峰

摘 要：該文從非機械掃描以及無掃描兩個方面，對新型固態化激光雷達技術進行了詳細介紹，并從各項技術所采用的技術手段以及解決的技術問題等多個方面進行了比較分析。以供該領域從業人員進行參考，并為專利審查員了解該領域的現有技術提供幫助，以服務審查。

關鍵詞：激光雷達 固態化 非機械掃描 無掃描

中圖分類號：TN95 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（a）-0064-04

激光雷達是一項傳統的技術，隨著無人車、無人機、機器人行業的發展，出現了應用于上述領域的新的技術問題，并產生了相關新的技術和產品。其目前被認為是行走機器人（包括無人車、無人機）的核心感知部件，同時也是行走機器人智能感知技術的最可行的解決方案，因此新型激光雷達（LiDAR）技術受到各方關注，成為資本市場追逐的重要目標。

1 傳統機械掃描式激光雷達的缺陷

傳統的機械掃描式激光雷達雖然成本相對較低，結構簡單，但是存在較多缺陷，特別是基于車載方式的激光雷達，存在如下缺點。

（1）結構笨重，馬達和多面體棱鏡重量和體積較大，容易造成機械磨損，不利于長時間運轉使用，掃描速度慢。

（2）光通過每一個多棱鏡的表面時，都會經歷一段較短的不能接受光信號的時間，降低反射信號接收比，使得最大信號接收比一般低于70%。

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

為了解決機械掃描式激光雷達存在較多局限的問題，近年來應用于行走機器人的新型激光雷達開始出現固態化、小型化和低成本的趨勢。而固態化技術無疑是新型激光雷達發展的重要方向。

2 新型激光雷達固態化技術

該文所指的固態化，主要與機械掃描式激光雷達相區別，指內部無機械旋轉部件的新型激光雷達。固態化技術又可以大體分為非機械掃描和非掃描兩種方式。

2.1 非機械掃描

非機械掃描最常用的是光學相控陣激光雷達，美國Quanergy公司的S3雷達即屬于此類固態化激光雷達①。光學相控陣激光雷達按光學相控的具體方式，又可進一步細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計和改進上，大體上有以下幾個主要方向。

2.1.1 光波導陣列

光波導陣列通過加電方式來實現光束掃描，利用光波導電光效應，對波導芯層加載電壓，使每個波導芯層具有不同的附加折射率，波束得以在波導陣元輸出截面光場具有不同的附加相位差，相位差按一定規律分布可引起輸出光速的偏轉。通過相位差按照一定規律分布輸出，從而實現光束的掃描②。

利用電光效應實現光速掃描的技術除了基于光波導陣列的，還存在鈮酸鋰晶體、PLZT壓電陶瓷、液晶等方式，如表1所示不同光學相控陣方式特點比較。

2.1.2 基于鐵電疇工程的電光掃描器

鐵電體呈自發極化，且極化方向能隨外電場方向改變，鐵電體自發極化方向不相同，但在一個小區域內，各晶胞自發極化方向相同，這個小區域就稱為鐵電疇。基于鐵電疇工程的電光掃描器具有掃描速度快、精度高、沒有機械運動和集成度高的優點，可以實現二維掃描，很適合高精度的空間通信和跟瞄使用，但現有的器件大多為單光束偏轉設計，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局域體光柵，具有高衍射效率、低散射噪聲和實時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射矩陣兩部分組成，控制陣列采用10個鈮酸鋰晶體電光開關單元串聯結構（編號100～109），每個單元可以在電場控制下對光束方向的90°偏轉，從而實現分束和定向傳輸。發射陣列為10×10的電光開關矩陣結構（編號200～299），每個電光開關單元的信號光束的定向發射在電場的作用下實現。以上的控制陣列和發射陣列組合構成了10+10×10的鈮酸鋰電光開關陣列結構，電光開關設計采用光折變體全息光柵電光開關。當光信號沿-x方向入射進入掃描陣列，入射光沿控制陣列中晶體的光軸方向傳輸，如果對其中某一個單元，例如105號，施加半波電壓，則體光柵可以對入射光產生衍射，衍射光相對于原入射光方向偏轉90°后進入發射陣列，在發射陣列中依然沿電光開關單元250～259的光軸方向傳輸，如果對其中某一個單元，例如255號，施加半波電壓，則該單元的體光柵對入射光產生衍射，衍射光在255號單元沿z軸方向出射，以一定的發射角在自由空間傳輸。同一列中每個光開關單元的發射角度是唯一確定的，通過改變出射面θ傾角的設置，實現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，驅動電壓低，器件厚度可比電光晶體或電光陶瓷顯著減薄，可以降低電場邊緣效應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的光相控陣也成為近些年來的研究熱點。一種材料構成是：超高雙折射率的向列相液晶材料，其按質量百分比，由具有較寬向列相范圍、較低熔點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%），清亮點較高側基含氟的三聯苯類化合物D組分（含量5%～10%），具有高雙折射率且側基含氟的乙炔基聯苯類化合物E組分（含量30%～40%），粘度低的雙環己烷類化合物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，以上各個組分的質量百分比之和為100%。該液晶為混合物，由多種具有不同分子結構的化合物混配得到，具有超高雙折射率、相對較低的粘度、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）三維成像光雷達有著探測視場大、成像速度快、探測距離遠、分辨率高等優點。現階段的無掃描三維成像光雷達技術有著兩類不同的實現方案：一類是利用三維成像傳感器件直接獲取目標的三維圖像；另一類是利用二維成像傳感器件通過強度像與距離像合成的方法來獲得目標的三維圖像。具體實現上主要包括以下幾種方法。

（1）基于面陣焦平面探測器的無掃描直接飛行時間測距法的三維成像激光雷達。該探測器將高精度的時間差測量電路集成到每個探測像元的后面，探測器的每個像元作為一個獨立的探測器，可單獨輸出信號，后續電路可測量從激光發射到接收到激光回波的時間差，反演出每個像素對應的距離信息，因此，只需發射一個激光脈沖，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，其關鍵技術是FLASH傳感器的研制。目前國外已經開發出較大面陣的具有時間測量能力的雪崩二極管陣列（APD）面陣探測器和蓋革模式的雪崩二極管陣列（GM-APD）面陣探測器，如圖3所示，由于這種高靈敏度的大面陣探測器制作工藝復雜，成像分辨率低，且目前國內對該種器件的研究正處于實驗樣品研制階段，無成品供應。

（2）基于專用調制解調面陣探測器的無掃描間接飛行時間測距法的三維成像激光雷達。器件與普通圖像傳感器的區別：一是具有高速快門，能達到10 ns級曝光速度；二是具有曝光累積功能，能將連續多次曝光產生的信號累積。測距方法上采用基于余弦波-方波鑒相法的間接飛行時間測距法，在光子混頻探測器后續的計算電路中直接計算出各像素對應的入射光的相位、幅值和偏移值，從而計算出各點的距離和灰度值，得到深度圖和灰度圖。目前國外已經開發出相對成熟的調制解調面陣探測器，但是該探測器積分時間短、探測靈敏度低，因此成像距離只有十幾米，無法實現長距離的三維成像。

（3）基于ICCD的無掃描間接飛行時間測距法的三維成像激光雷達。最初的無掃描三維成像技術都基于ICCD傳感器，對光源和像增強器增益進行余弦波、方波或三角波等波形調制，按照間接飛行時間測距理論，實現三維信息測量。這一技術的代表性研究機構有美國桑迪亞國家實驗室和日本廣播公司。國內也有少量的研究機構開展過這方面的研究。由于ICCD幀頻低、光源能量利用率低，該成像技術同樣具有成像速度低，作用距離近等缺點。

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

對于上述（1）～（3）中存在的問題，一種解決方式是：基于光源調制解調的ICMOS高速三維成像激光雷達，利用高速 CMOS相機高幀頻和像增強器曝光時間可調制的特點，同時對光源進行光強調制，在像增強器接收端對激光回波信號進行解調，解調后的信號為低頻光信號，這樣激光飛行時間的時間差體現為低頻光信號的相位差，高速CMOS相機對低頻光信號進行采集，最后通過計算得到每個像素相位值，從而獲得整個目標的三維信息⑥。

3 結語

（1）隨著無人車、無人機、機器人行業的發展，產業上對于應用于以上行業的雷達有了新的需求，而新型的固態化激光雷達，可以解決傳統機械掃描式激光雷達結構笨重、信號接收比低以及安全系數差的技術問題，因此是未來激光雷達的發展趨勢，包括我國在內的各國從業者都已經投入到新型固態化激光雷達的研制中來。

（2）雖然我國相關領域從業人員已經意識到了激光雷達的固態化是未來的發展趨勢，但是從上文對于各篇專利及期刊文獻的解讀中可以看出，相對于其他國家，尤其是美國，我國該項技術絕大部分掌握于各大科研院所以及高校手中，普遍處于研發試驗階段。因此，將科研成果產業化是我國研究人員亟待解決的問題。

（3）固態化激光雷達包括非機械掃描以及無掃描兩條技術路線，而以美國Quanergy公司為首的激光雷達企業，已經成功研制了如S3等的非機械掃描激光雷達產品，并已經計劃進入量產階段。將兩條技術路線進行對比，非機械掃描的產業化在世界范圍已經走在前沿，而我國的高校及科研院所在無掃描方面有了一定的技術積累，并沒有被國外拉開距離。因此，堅持走產學研一體化道路，在無掃描激光雷達這條路線上實現突破，有助于我國在該產業實現彎道超車。

參考文獻

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[3]DA Scrymgeour，Y Barad，V Gopalan，et al Large-angle electro-optic laser scanner on LiTaO3 fabricated by in situ monitoring of ferroelectric-domain micropatterning[J].App.Opt.，2001，40（34）：6236-6241.

[4]R Marino，L Skelly.A Compact 3D Imaging Laser Radar System Using Gerger-mode APD Arrays：System and Measurements[C]//Proceedings of SPIT-The Intema-tional society….2003，5086：1-15.

注釋

①US2015/0378241A1。

②CN205080260U。

③CN201203740Y。

④CN104140825A。

⑤CN105182358A。

⑥CN104931974A。