詳細分析光學相控陣LiDAR

詳細分析光學相控陣LiDAR

胡薇 發表於 2018-11-05 17:21:59

由於全固態LiDAR內部沒有任何宏觀或微觀上的運動部件，耐久性和可靠性的優勢不言而喻，且順應了自動駕駛對LiDAR固態化、小型化和低成本化的趨勢，因此成為車用雷射雷達的趨勢。下面就按照不同的固態雷射雷達技術做簡單介紹。首先要介紹的是光學相控陣LiDAR。

1.光學相控陣LiDAR

雷射雷達從機械轉動向聚束成形的進化趨勢與雷達完全相同：軍事上廣泛應用的相控陣雷達一般擁有上千個發射天線單元，通過調節波束合成的方式，可以改變雷達掃描的方向而不需要機械部件運轉，靈活性很高，適合應對高機動目標，還可發射窄波束作為電子戰天線。

對於雷射雷達，為了完全取消機械結構，考慮通過調節發射陣列中每個發射單元的相位差來改變雷射的出射角度，採用相控陣原理實現固態雷射雷達。

那麼什麼是相控陣原理呢？生活中最常見的幹涉例子是水波，兩處振動產生的水波相互疊加，有的方向兩列波互相增強，有的方向正好抵消，將這個原理放大，採用多個光源組成陣列，通過控制各光源發射的時間差，就能合成角度靈活，且精密可控的主光束，這就是相控陣的原理。

在光學相控陣（OPA，Optical Phased Array）LiDAR中，相控陣發射器由若干發射接收單元組成陣列，通過改變加載在不同單元的電壓，進而改變不同單元發射光波特性（如光強、相位），實現對每個單元光波的獨立控制，通過調節從每個相控單元輻射出的光波之間的相位關係，在設定方向上產生互相加強的幹涉從而實現高強度光束，而其它方向上從各個單元射出的光波彼此相消，因此，輻射強度接近於零。組成相控陣的各相控單元在程序的控制下，可使一束或多束高強度光束的指向按設計的程序實現隨機空域掃描。

光學相控陣是怎樣通過控制發射陣列中每個發射單元的相位差來改變雷射的出射角度呢？

我們可以通過一個簡單的比喻來認識光學相控陣是如何工作的（如下圖 所示）：

假設有10個人在左側排成一列並排向前走，把他們的連線作為他們整體運動的陣列面，垂直於連線向右的方向為前進方向。

•如果10個人走路的速度都一樣時，則陣列面將平行向前移動，其前進方向不會發生改變，如下圖 （a）所示；

•如果最上方的人走得最慢，其他人的速度從上至下依次逐步增加，最下方的人走得最快，則陣列面不再是平行移動，當經過一段時間後，最下方的人走得路程最遠，最上方的人走得路程最短，其陣列面的前進方向將向上方發生明顯的角度改變，如下圖（b）所示；

•如果最上方的人走得最快，其他人的速度從上至下依次逐步減少，最下方的人走得最慢，則經過一段時間後，陣列面的前進方向將向下方發生明顯的角度改變，如下圖（c）所示。

光學相控陣的工作原理與上面的比喻類似，它的每一個單元都可以對所通過的光（人）的速度進行控制。當一束光被分成許多個小單元（人），每小單元的光束（人）都通過一個光學相控陣單元，並被相控陣單元對其速度進行嚴格控制。當每個小單元的光束以同樣的時間通過光學相控陣後，其速度恢復到進入光學相控陣前的速度，但由於每個小單元的光束所走過的光程（路程）不一樣，通過光學相控陣後合成的波陣面（上面比喻中的陣列面）將發生明顯變化，從而使得光束的指向發生偏轉，這就是光學相控陣的基本工作原理。

上面舉的是一維掃描的例子，如果我們把光學相控陣做成向二維陣列（比如下面介紹的Quanergy的方案），我們就可以實現二維的掃描。光學相控陣一般都是通過電信號對其相位進行嚴格的控制實現光束指向掃描，因此也可以稱為電子掃描技術。

在2016年美國CES展上，Quanergy展出的「固態」SolidState雷射雷達，是光學相控陣雷射雷達，其滿足了雷射雷達小型化的大趨勢，整個尺寸只有90mm x60mm x60mm。用到的核心的技術有光學相控陣列Optical Phased Array、光學集成電路Photonic IC、遠場輻射方向圖Far FieldRadiation Pattern。這款產品完全沒有機械固件，可以稱得上的純固態雷射雷達了。下圖是Quanergy公開的Solid State LiDAR S3光學相控陣掃描雷達工作原理示意圖。可以看出S3採用的是光學相控陣技術實現雷射掃描，其原理與相控陣雷達一樣，通過調節發射陣列中每個發射單元的相位差來改變雷射的出射角度。

考慮到Quanergy公司的CEO兼聯合創始人Louay Eldada的技術背景和Quanergy對外發布的S3工作原理，如上圖所示，Quanergy應該是採用了光通信中成熟的平面光波導技術製作光學相控陣掃描器件。為了獲得良好的相干合成效果，要求波導結構的尺寸非常微小，僅有幾百納米量級，可以承受通過的雷射功率有限。這與水管越小，可容納的水流量越小一個道理。如果採用脈衝測距體制，將導致信噪比不足，探測距離有限，必須採用其他手段來彌補，譬如多脈衝、脈衝編碼或連續波調製等來提高信噪比。

另外，我們常說雷射雷達的抗幹擾能力強，那是因為傳統機械掃描的雷射雷達接收視場特別小，外界的直接照射幹擾信號很難對準並進入雷射雷達的接收視場。而且，雷射雷達能接收到的背景光噪聲功率是與接收視場成正比的，視場越大，背景光噪聲功率越高。Quanergy的光學相控陣掃描僅能對發射雷射束指向進行控制，不能實現接收光路進行同步掃描，這就要求S3雷射雷達必須採用一個大視場的接收光學系統來接收雷射的回波信號。如果掃描角度範圍為±60º，那麼接收視場的角度也必須達到±60º，這會造成信噪比的下降，而且容易受到其他同類系統發射的雷射信號和太陽直射的幹擾。

綜合來說，與傳統機械掃描技術相比，光學相控陣掃描技術有三大優勢：

•掃描速度快：光學相控陣的掃描速度取決於所用材料的電子學特性和器件的結構，一般都可以達到MHz量級以上。

•掃描精度或指向精度高：光學相控陣的掃描精度取決於控制電信號的精度（一般為電壓信號），可以做到μrad（千分之一度）量級以上。

•可控性好：光學相控陣的光束指向完全由電信號控制，在允許的角度範圍內可以做到任意指向，可以在感興趣的目標區域進行高密度的掃描，在其他區域進行稀疏掃描，這對於自動駕駛環境感知非常有用。

但光學相控陣掃描技術也有它的缺點：

• 易形成旁瓣，影響光束作用距離和角解析度：光束經過光學相控陣器件後的光束合成實際是光波的相互幹涉形成的，幹涉效果易形成如下圖所示的旁瓣，使得雷射能量被分散。

•加工難度高,製造工藝難度較大。光學相控陣要求陣列單元尺寸必須不大於半個波長，一般目前雷射雷達的工作波長均在1微米左右，這就意味著陣列單元的尺寸必須不大於500納米。而且陣列數越多，陣列單元的尺寸越小，能量約往主瓣集中，這就對加工精度要求更高。

•此外，材料的研究和選擇也是非常關鍵的因素，到目前為止，鈮酸鋰晶體、PLZT壓電陶瓷、液晶和AlGaAs基波導光學相控已得到開發。未來，器件方面，進一步減小相控陣單元尺寸，提高衍射效率，減小器件尺寸；更為根本的材料研究方面，開發工作在中波紅外、長波紅外、紫外波段的液晶材料，以及繼續尋求具有大雙折射、響應速度快、熱穩定性高、耐強雷射的高性能電光材料，同時發展對中長波和紫外波段具有較好透過率的電光材料，以擴展光學相控陣器件的應用領域。

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