Lidar 轻科普 | 一文了解固态和半固态激光雷达

固态、半固态、MEMS、转镜......这些术语在激光雷达行业都很“眼熟”，但你知道它们都是什么意思吗？

今天，我们就来聊聊激光雷达的不同技术路线。

根据扫描方式的不同，激光雷达可分为机械式、半固态（又叫混合固态）and固态三种^（1）。

其中，半固态激光雷达又可分为一维扫描和二维扫描两类比较常见的方案。而固态激光雷达则主要有 OPA（相控阵）和 Flash（泛光面阵式）两种主流技术路线。

先从发展历史最悠久的机械式激光雷达开始说起，这类激光雷达通过电机带动光机结构整体 360° 旋转，能对周遭环境进行全方位的扫描，形成点云，在性能上达到最优。

作为激光雷达最经典且发展最为成熟的技术方案，机械式激光雷达常应用于 Robotaxi 的测试和迭代。但利用传统分立式设计的机械式雷达体积大且降本空间有限，并不适用于车规级量产市场。

随着激光雷达技术的发展，分立式的收发模块已经能通过半导体工艺实现集成，不仅能减少元器件数量、降低成本，也使得激光雷达内部架构变得简单，提升量产的可靠性。

也就是说，经过芯片化集成的收发模块，加上 360° 旋转的扫描模块，就可以产生“新型”的机械式激光雷达，这种高性能、高可靠性、成本更优的新一代机械式激光雷达，未来也有望进入更广泛的车规级应用。

目前，量产车领域主要搭载的是半固态激光雷达。这类激光雷达可分为一维扫描和二维扫描，它们的共同之处是，都通过内部运动的反射镜来改变激光的方向。具体来看：

这一技术方案又可细分为 MEMS 和二维转镜两种。

其中，MEMS 方案的核心是一个厘米尺度的振镜，通过悬臂梁在横纵两轴高速周期运动，从而改变激光反射方向，实现扫描。

相比传统机械式激光雷达，MEMS 方案简化了扫描结构，通过控制微振镜的偏转角度就能改变扫描路径，仅需几个激光器就能达到等效机械式更多线束激光雷达的覆盖区域和点云密度。

但这一方案的技术难点在于悬臂梁转动角度有限，使得单个振镜覆盖的视场角很小，往往需要多台拼接才能实现大视场角覆盖，可能导致点云图像在叠加边缘出现不均匀的畸变和重叠，加大后续算法处理的难度。

再来看二维转镜方案，它由一个在横轴不断旋转的多边形棱镜和一个可以在纵轴摆动的镜子组成。例如下面就是一种市场上现有的二维转镜扫描示意，不断旋转的多边形棱镜可以让光源实现水平扫描，而同时纵轴摆镜则可以改变光源的垂直扫描方向。

按照这种设计方案，仅需一束光源，就可以完成机械式雷达若干个光源才能完成的扫描任务。但也正因为只有一束激光，要保证对三维世界的高清扫描，就要求扫描频率非常高，同时要求的功率也更大，这就给扫描器件带来了可靠性方面的挑战。

与二维扫描结构相比，一维扫描采用仅在水平方向上低速转动的反射镜来改变光线方向，获得视场角覆盖，稳定性和可靠性更高。

2017 年法雷奥在行业中推出的第一款通过车规验证的激光雷达，采用的正是这一技术方案。但此方案的局限性在于扫描线数较少，难以实现较高的分辨率。

实际上，这一难题已经得到了解决。上一篇轻科普中提及，在一维转镜架构中，线数等于激光器数，要想提高线数，就需要足够多的激光器，行业前沿的芯片化技术已能够在几颗厘米级的芯片上集成 128 组激光收发模块，足以保证高线数和高分辨率。

其实，无论是机械式还是半固态，都是收发模块搭配一种做机械运动的扫描模块，只要内部有运动部件，就不能算是纯固态。而且归根结底，扫描模块只是一个机械部件，是一种“形式”，真正决定激光雷达性能的“本质”，是其收发模块。

只有在内部没有任何运动部件的，才是纯固态激光雷达。这种激光雷达结构最简单，集成度最高。

目前，固态激光雷达主要有 OPA 和 Flash 两种技术路线。

OPA 的原理是通过多个激光发射单元组成发射阵列，通过调节发射阵列中各个单元的相位差，来改变激光光束的发射角度。

而 Flash 则是通过高密度的激光源阵列，像手电筒一样，能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。

由于固态激光雷达取消了复杂和高频转动的机械结构，不仅能降低物料和量产成本，也能提升产品可靠性、生产效率和一致性，能够很好地应用于车规级量产领域。

总结一下，不同的激光雷达技术路线各有千秋，且适用于不同的自动驾驶领域。机械式雷达能够对周围环境进行 360° 扫描；半固态激光雷达不管是一维还是二维架构，内部皆有运动部件；纯固态激光雷达则没有任何运动部件，结构最为简单。

好了，今天就先聊到这里，下一期我们来聊聊激光雷达的波长。

当然如果你有感兴趣的话题，也欢迎留言告诉我们。

（1）本文讨论类别的均为ToF（时间飞行测距法）激光雷达。