固態(tài)激光雷達(dá)工作原理

作者: 嶺緯科技發(fā)表時間:2020-11-05 08:43:14

何為固態(tài)激光雷達(dá)?

    理論上來說,固態(tài)激光雷達(dá)是完全沒有移動部件的雷達(dá),光相控陣(OpticalPhased Array)及Flash是其典型技術(shù)路線,也被認(rèn)為是純固態(tài)激光雷達(dá)方案。但近年來,一些非完全旋轉(zhuǎn)的激光雷達(dá)也被統(tǒng)稱為“固態(tài)激光雷達(dá)”,它們具備了固態(tài)激光雷達(dá)很多的性能特點(diǎn),如分辨率高、有限水平FOV(前向而不是360°)等,但這些技術(shù)方案會有一些微小的移動部件,從嚴(yán)格意義上來說不能算純固態(tài)激光雷達(dá)。

固態(tài)激光雷達(dá)工作原理

        固態(tài)激光雷達(dá)主要是依靠波的反射或接收來探測目標(biāo)的特性,大多源自三維圖像傳感器的研究,實(shí)際源自紅外焦平面成像儀,焦平面探測器的焦平面上排列著感光元件陣列,從無限遠(yuǎn)處發(fā)射的紅外線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在系統(tǒng)焦平面的這些感光元件上,探測器將接受到光信號轉(zhuǎn)換為電信號并進(jìn)行積分放大、采樣保持,通過輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng),最終送達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)形成圖像。

固態(tài)激光雷達(dá)形成的三種技術(shù)路

經(jīng)過多年的發(fā)展,固態(tài)激光雷達(dá)的基本框架已經(jīng)比較清晰了,以下是目前主流的三種方案。

1.MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)微機(jī)電系統(tǒng)

MEMS指代的是將機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行微型化、電子化的設(shè)計,將原本體積較大的機(jī)械結(jié)構(gòu)通過微電子工藝集成在硅基芯片上,進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。技術(shù)成熟,完全可以量產(chǎn)。主要是通過MEMS微鏡來實(shí)現(xiàn)垂直方面的一維掃描,整機(jī)360度水平旋轉(zhuǎn)來完成水平掃描,而其光源是采用光纖激光器,這主要是由于905納米的管子重頻做不高,重頻一高平均功率就會太大,會影響激光管的壽命。

從嚴(yán)格意義上來說,MEMS并不算是純固態(tài)激光雷達(dá),這是因為在MEMS方案中并沒有完全消除機(jī)械,而是將機(jī)械微型化了,掃描單元變成了MEMS微鏡。

2.OPA(optical phased array)光學(xué)相控陣技術(shù)

相比其他技術(shù)方案,OPA方案給大家描述了一個激光雷達(dá)芯片級解決方案的美好前景,它主要是采用多個光源組成陣列,通過控制各光源發(fā)光時間差,合成具有特定方向的主光束。然后再加以控制,主光束便可以實(shí)現(xiàn)對不同方向的掃描。雷達(dá)精度可以做到毫米級,且順應(yīng)了未來激光雷達(dá)固態(tài)化、小型化以及低成本化的趨勢,但難點(diǎn)在于如何把單位時間內(nèi)測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提高以及投入成本巨大等問題。

3.Flash

Flash激光雷達(dá)的原理也是快閃,它不像MEMS或OPA的方案會去進(jìn)行掃描,而是短時間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光,再以高度靈敏的接收器,來完成對環(huán)境周圍圖像的繪制。

何為固態(tài)激光雷達(dá)?

    理論上來說,固態(tài)激光雷達(dá)是完全沒有移動部件的雷達(dá),光相控陣(OpticalPhased Array)及Flash是其典型技術(shù)路線,也被認(rèn)為是純固態(tài)激光雷達(dá)方案。但近年來,一些非完全旋轉(zhuǎn)的激光雷達(dá)也被統(tǒng)稱為“固態(tài)激光雷達(dá)”,它們具備了固態(tài)激光雷達(dá)很多的性能特點(diǎn),如分辨率高、有限水平FOV(前向而不是360°)等,但這些技術(shù)方案會有一些微小的移動部件,從嚴(yán)格意義上來說不能算純固態(tài)激光雷達(dá)。

固態(tài)激光雷達(dá)工作原理

        固態(tài)激光雷達(dá)主要是依靠波的反射或接收來探測目標(biāo)的特性,大多源自三維圖像傳感器的研究,實(shí)際源自紅外焦平面成像儀,焦平面探測器的焦平面上排列著感光元件陣列,從無限遠(yuǎn)處發(fā)射的紅外線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在系統(tǒng)焦平面的這些感光元件上,探測器將接受到光信號轉(zhuǎn)換為電信號并進(jìn)行積分放大、采樣保持,通過輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng),最終送達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)形成圖像。

固態(tài)激光雷達(dá)形成的三種技術(shù)路

經(jīng)過多年的發(fā)展,固態(tài)激光雷達(dá)的基本框架已經(jīng)比較清晰了,以下是目前主流的三種方案。

1.MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)微機(jī)電系統(tǒng)

MEMS指代的是將機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行微型化、電子化的設(shè)計,將原本體積較大的機(jī)械結(jié)構(gòu)通過微電子工藝集成在硅基芯片上,進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。技術(shù)成熟,完全可以量產(chǎn)。主要是通過MEMS微鏡來實(shí)現(xiàn)垂直方面的一維掃描,整機(jī)360度水平旋轉(zhuǎn)來完成水平掃描,而其光源是采用光纖激光器,這主要是由于905納米的管子重頻做不高,重頻一高平均功率就會太大,會影響激光管的壽命。

從嚴(yán)格意義上來說,MEMS并不算是純固態(tài)激光雷達(dá),這是因為在MEMS方案中并沒有完全消除機(jī)械,而是將機(jī)械微型化了,掃描單元變成了MEMS微鏡。

2.OPA(optical phased array)光學(xué)相控陣技術(shù)

相比其他技術(shù)方案,OPA方案給大家描述了一個激光雷達(dá)芯片級解決方案的美好前景,它主要是采用多個光源組成陣列,通過控制各光源發(fā)光時間差,合成具有特定方向的主光束。然后再加以控制,主光束便可以實(shí)現(xiàn)對不同方向的掃描。雷達(dá)精度可以做到毫米級,且順應(yīng)了未來激光雷達(dá)固態(tài)化、小型化以及低成本化的趨勢,但難點(diǎn)在于如何把單位時間內(nèi)測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提高以及投入成本巨大等問題。

3.Flash

Flash激光雷達(dá)的原理也是快閃,它不像MEMS或OPA的方案會去進(jìn)行掃描,而是短時間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光,再以高度靈敏的接收器,來完成對環(huán)境周圍圖像的繪制。