一年一度的CES展幾乎淪為汽車展，而在2017年的CES展中，自動駕駛技術(shù)幾乎成為了主角。作為自動駕駛的核心環(huán)境傳感器，激光雷達(dá)自然也備受矚目。
圖 1 Quanergy的光學(xué)相控陣掃描雷達(dá)工作原理示意圖
Quanergy公司的Solid State LiDAR S3在CES 2017上獲得了汽車智能類（Vehicle Intelligence Category）的最高獎(jiǎng)項(xiàng)——最佳創(chuàng)新獎(jiǎng)（Best of Innovation Award），則再一次讓Quanergy利用固態(tài)掃描技術(shù)賺足了眼球。而作為車用激光雷達(dá)的老大Velodyne也當(dāng)仁不讓，在CES展之前就發(fā)布消息，稱其與EPC（Efficient Power Conversion Corporation）共同研發(fā)有望將固態(tài)激光雷達(dá)成本降至50美金的核心芯片。當(dāng)然，展會上還有Innoviz和TriLumina也宣稱要推出固態(tài)激光雷達(dá)，但受限于這兩家的公開資料太少，暫無法對其技術(shù)進(jìn)行分析。
下面針對Quanergy和Velodyne的公開資料，對其技術(shù)進(jìn)行簡單的分析。
一、Quanergy固態(tài)掃描技術(shù)
圖1 是Quanergy在2016年公開的Solid State LiDAR S3工作原理?？梢钥闯鯯3采用的是光學(xué)相控陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光掃描，其原理與相控陣?yán)走_(dá)一樣，通過調(diào)節(jié)發(fā)射陣列中每個(gè)發(fā)射單元的相位差來改變激光的出射角度。
圖 1 Quanergy的光學(xué)相控陣掃描雷達(dá)工作原理示意圖
光學(xué)相控陣是怎樣通過控制發(fā)射陣列中每個(gè)發(fā)射單元的相位差來改變激光的出射角度呢？
我們可以通過一個(gè)簡單的比喻來認(rèn)識光學(xué)相控陣是如何工作的（如圖 2所示）：
假設(shè)有10個(gè)人在左側(cè)排成一列并排向前走，把他們的連線作為他們整體運(yùn)動的陣列面，垂直于連線向右的方向?yàn)榍斑M(jìn)方向。
● 如果10個(gè)人走路的速度都一樣時(shí)，則陣列面將平行向前移動，其前進(jìn)方向不會發(fā)生改變，如圖 2（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(dāng)經(jīng)過一段時(shí)間后，最下方的人走得路程最遠(yuǎn)，最上方的人走得路程最短，其陣列面的前進(jìn)方向?qū)⑾蛏戏桨l(fā)生明顯的角度改變，如圖 2（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(jīng)過一段時(shí)間后，陣列面的前進(jìn)方向?qū)⑾蛳路桨l(fā)生明顯的角度改變，如圖 2（c）所示。
圖 2 光學(xué)相控陣的工作原理距離說明
光學(xué)相控陣的工作原理與上面的比喻類似，它的每一個(gè)單元都可以對所通過的光（人）的速度進(jìn)行控制。當(dāng)一束光被分成許多個(gè)小單元（人），每小單元的光束（人）都通過一個(gè)光學(xué)相控陣單元，并被相控陣單元對其速度進(jìn)行嚴(yán)格控制。當(dāng)每個(gè)小單元的光束以同樣的時(shí)間通過光學(xué)相控陣后，其速度恢復(fù)到進(jìn)入光學(xué)相控陣前的速度，但由于每個(gè)小單元的光束所走過的光程（路程）不一樣，通過光學(xué)相控陣后合成的波陣面（上面比喻中的陣列面）將發(fā)生明顯變化，從而使得光束的指向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這就是光學(xué)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(xué)相控陣做成向二維陣列（如Quanergy的方案），我們就可以實(shí)現(xiàn)二維的掃描。光學(xué)相控陣一般都是通過電信號對其相位進(jìn)行嚴(yán)格的控制實(shí)現(xiàn)光束指向掃描，因此也可以稱為電子掃描技術(shù)。
與傳統(tǒng)機(jī)械掃描技術(shù)相比，光學(xué)相控陣掃描技術(shù)有三大優(yōu)勢：
● 掃描速度快：光學(xué)相控陣的掃描速度取決于所用材料的電子學(xué)特性和器件的結(jié)構(gòu)，一般都可以達(dá)到MHz量級以上。
● 掃描精度或指向精度高：光學(xué)相控陣的掃描精度取決于控制電信號的精度（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(xué)相控陣的光束指向完全由電信號控制，在允許的角度范圍內(nèi)可以做到任意指向，可以在感興趣的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行高密度的掃描，在其他區(qū)域進(jìn)行稀疏掃描，這對于自動駕駛環(huán)境感知非常有用。
但光學(xué)相控陣掃描技術(shù)也有它的缺點(diǎn)：
● 易形成旁瓣，影響光束作用距離和角分辨率：光束經(jīng)過光學(xué)相控陣器件后的光束合成實(shí)際是光波的相互干涉形成的，干涉效果易形成如下圖所示的旁瓣，使得激光能量被分散。
● 加工難度高：光學(xué)相控陣要求陣列單元尺寸必須不大于半個(gè)波長，一般目前激光雷達(dá)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于500納米。而且陣列數(shù)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。
圖 3 旁瓣示意圖
考慮到Quanergy公司的CEO兼聯(lián)合創(chuàng)始人Louay Eldada的技術(shù)背景和Quanergy對外發(fā)布的S3工作原理，如圖1所示，Quanergy應(yīng)該是采用了光通信中成熟的平面光波導(dǎo)技術(shù)制作光學(xué)相控陣掃描器件。為了獲得良好的相干合成效果，要求波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的尺寸非常微小，僅有幾百納米量級，可以承受通過的激光功率有限。這與水管越小，可容納的水流量越小一個(gè)道理。如果采用脈沖測距體制，將導(dǎo)致信噪比不足，探測距離有限，必須采用其他手段來彌補(bǔ)，譬如多脈沖、脈沖編碼或連續(xù)波調(diào)制等來提高信噪比。
另外，我們常說激光雷達(dá)的抗干擾能力強(qiáng)，那是因?yàn)閭鹘y(tǒng)機(jī)械掃描的激光雷達(dá)接收視場特別小，外界的直接照射干擾信號很難對準(zhǔn)并進(jìn)入激光雷達(dá)的接收視場。而且，激光雷達(dá)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(xué)相控陣掃描僅能對發(fā)射激光束指向進(jìn)行控制，不能實(shí)現(xiàn)接收光路進(jìn)行同步掃描，這就要求S3激光雷達(dá)必須采用一個(gè)大視場的接收光學(xué)系統(tǒng)來接收激光的回波信號。如果掃描角度范圍為±60o，那么接收視場的角度也必須達(dá)到±60o，這會造成信噪比的下降，而且容易受到其他同類系統(tǒng)發(fā)射的激光信號和太陽直射的干擾。
二、Velodyne的固態(tài)混合掃描
雖然Velodyne從VLP-16產(chǎn)品面世后才開始宣稱這款16先激光雷達(dá)采用“固態(tài)混合”（Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto）技術(shù)，但實(shí)際上Velodyne從其第一款64線激光雷達(dá)HDL-64開始，采用的就是固態(tài)混合技術(shù)。圖 4～圖 6給出了Velodyne的HDL-64E、HDL-32E和VLP-16三款產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片，可以看出這三款產(chǎn)品除了HDL-64E的差異較大外，HDL-32E和VLP-16基本一樣，只不過VLP-16是在HDL-32E的基礎(chǔ)上減少了16線，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。但實(shí)際上HDL-64E和HDL-32E、VLP-16采用的都是同一種技術(shù)。
圖 4 HDL-64E激光雷達(dá)內(nèi)部照片
圖 5 HDL-32E激光雷達(dá)內(nèi)部照片
圖 6 VLP-16 激光雷達(dá)內(nèi)部照片
Velodyne所有的產(chǎn)品在俯仰方向（垂直于水平面方向）均采用了電子掃描技術(shù)，在方位方向（水平方向）采用機(jī)械360o旋轉(zhuǎn)掃描。
圖 7給出了一個(gè)類似于VLP-16的固態(tài)混合激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖 7 固態(tài)混合多線激光雷達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理示意圖
該雷達(dá)前端有一個(gè)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和一個(gè)接收光學(xué)系統(tǒng)，在發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)后端有N組發(fā)射模塊，而在接收光學(xué)后端有N組與發(fā)射模塊一一對應(yīng)的接收模塊（圖中背面遮擋不可見）。當(dāng)激光雷達(dá)開始工作時(shí)，N組發(fā)射模塊和N組接收模塊在電路的控制下按照一定的時(shí)間順序輪流工作，例如，在時(shí)刻1，發(fā)射模塊1工作，發(fā)射激光脈沖，同時(shí)接收模塊1接收目標(biāo)反射的發(fā)射模塊1發(fā)射的激光信號；在時(shí)刻2，發(fā)射模塊2工作，發(fā)射激光脈沖，同時(shí)接收模塊2接收目標(biāo)反射的發(fā)射模塊2發(fā)射的激光信號；……在時(shí)刻N(yùn)，發(fā)射模塊N工作，發(fā)射激光脈沖，同時(shí)接收模塊N接收目標(biāo)反射的發(fā)射模塊N發(fā)射的激光信號。這樣在俯仰方向就可以形成非機(jī)械式的光學(xué)掃描，其掃描角度間隔由兩個(gè)相鄰模塊之間的間隔和光學(xué)系統(tǒng)的焦距來確定。Velodyne的所有產(chǎn)品在俯仰方向均采用這種“固態(tài)掃描”技術(shù)進(jìn)行掃描，在方位方向通過機(jī)械掃描實(shí)現(xiàn)360o旋轉(zhuǎn)掃描，這就是Velodyne的“固態(tài)混合掃描”。
Velodyne的這種固態(tài)掃描技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
● 掃描速度快：掃描速度只決于發(fā)射模塊的電子學(xué)響應(yīng)速度，不受材料的特性影響，可以實(shí)現(xiàn)比光學(xué)相控陣更高的掃描頻率。但其掃描角度一定設(shè)計(jì)好后就完全固定，不能通過電控進(jìn)行改變。
● 接收視場?。哼@種掃描技術(shù)是一種發(fā)射和接收同步掃描技術(shù)，接收視場小，抗光干擾能力強(qiáng)，信噪比高。
● 可承受高的激光功率：這種掃描技術(shù)完全是在自由空間中進(jìn)行，可以采用高峰值功率的激光脈沖進(jìn)行高信噪比的探測。
同時(shí)，這種掃描技術(shù)也存在以下問題：
● 實(shí)現(xiàn)二維掃描比較困難：按照目前這種非集成式的模塊化設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)二維掃描，必須通過機(jī)械或其他方式實(shí)現(xiàn)另一維的掃描。集成化是這種技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，也是實(shí)現(xiàn)二維掃描的關(guān)鍵。
● 掃描角度固定：但其掃描角度一定設(shè)計(jì)好后就完全固定，不能通過電控進(jìn)行改變。
● 裝調(diào)工作量大：需要將發(fā)射和接收模塊進(jìn)行精密光學(xué)對準(zhǔn)裝配，工作繁復(fù)，工作量大，大批量生產(chǎn)難度大。
三、總結(jié)
通過上述的分析可以看出，Quanergy的光學(xué)相控陣掃描技術(shù)和Velodyne的固態(tài)混合掃描技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。Velodyne的產(chǎn)品多年來已經(jīng)得到實(shí)際的驗(yàn)證和使用，其用戶遍及了汽車主機(jī)廠、自動駕駛研究機(jī)構(gòu)和三維測繪等領(lǐng)域，目前是大家公認(rèn)的市場老大。但因受到繁復(fù)的精密光學(xué)裝調(diào)工作量的影響，目前Velodyne的產(chǎn)能嚴(yán)重受限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上市場的需求。集成化是Velodyne解決裝調(diào)和成本問題的必然之路。可以看到，Velodyne已經(jīng)開始向集成化的道路邁進(jìn)，一旦實(shí)現(xiàn)高度集成后，其產(chǎn)能將不再受到制約，其成本也會大幅度降低。
Quanergy的光學(xué)相控陣技術(shù)代表的是一種新技術(shù)，但新技術(shù)就意味著技術(shù)不完善。如果Quanery無法解決旁瓣、信噪比和光干擾等問題，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離成像，那Quanergy的市場前景堪憂。一旦技術(shù)突破后，Quanergy必然能在市場上占據(jù)重要的位置。Quanergy在今年的CES展上透露，一季度可以向合作伙伴提供量產(chǎn)的S3產(chǎn)品，四季度可以提供給其他客戶，這對用戶來說是個(gè)利好消息。
至于市場對這兩家產(chǎn)品的具體反應(yīng)，我們拭目以待！
本文作者朱少嵐，中國科學(xué)院大學(xué)博士，中國科學(xué)院精密機(jī)械研究所研究員，寧波傲視智繪光電科技有限公司創(chuàng)始人、董事長。2001 年進(jìn)入中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所工作，主要從事激光雷達(dá)及相關(guān)技術(shù)研究，為西安光機(jī)所激光雷達(dá)技術(shù)學(xué)科帶頭人，先后承擔(dān)多項(xiàng)激光雷達(dá)相關(guān)的國家重大專項(xiàng)項(xiàng)目研究。在國內(nèi)外 SCI、EI 等期刊上發(fā)表論文近三十余篇；申請專利近二十余項(xiàng)，獲授權(quán)發(fā)明專利十項(xiàng)。
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