| gzwjgx2024 | 2026-02-05 10:49 |
一文了解激光雷达测距及工作原理波束成形与扫描是一种控制电磁波束在自由空间中指向的技术。 该技术广泛应用于无线电通信、微波相控阵雷达等射频（Radio Frequency，RF）领域。 对于雷达而言，其向目标物体发射波束，通过物体反射的回波可以探测目标物体的距离及表面轮廓。 微波雷达的角分辨较低，通常只能用于判断物体的距离，而缺失了物体的轮廓信息。近年来，自动驾驶领域对车载雷达的波束控制提出了高分辨率和高精度的要求，以应对复杂的街道环境。这促使激光雷达（Light Detection and Ranging，LiDAR）技术成为业界关注的焦点。 与传统的毫米波雷达相比，激光雷达的工作波长更短，因此，激光雷达能够实现更高的分辨率，更远的探测距离和更强的抗干扰能力。 凭借以上优势，近年来激光雷达在自动驾驶、遥感测量和智能仓储等领域受到广泛关注。其中，光学扫描器是激光雷达系统的核心组件，决定了系统的性能与可靠性。 二、激光雷达分类 根据光学扫描器的不同，激光雷达分为机械式、半固态式和全固态式。如图（a）所示，传统的机械式激光雷达中的机械式转动限制了扫描速度并降低了系统的可靠性，其体积庞大且精度较低，探测性能严重受到器件转动惯性和使用寿命的限制。 半固态的微机电系统（Micro-Electro Mechanical System，MEMS）激光雷达（如图（b）和（c）所示），通过将运动部件小型化甚至芯片化，取消了传统的马达和多棱镜等笨重的机械运动部件，显著降低了激光雷达的尺寸并提高了可靠性。 然而，即便是芯片化的MEMS结构依旧不是真正意义上的固态激光雷达，仍然受到运动部件的惯性引起的非线性扫描、机械可靠性和复杂的光机结构所限制，导致在扫描速度、抗震性以及视场范围方面仍然存在挑战。 基于焦平面阵列（Focal plane array，FPA）的无光束扫描方案是当下主流的一种固态激光雷达形式。如图（d）所示，将垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）阵列芯片作为光源，将二维单光子雪崩光电二极管（Single Photon Avalanche Diode，SPAD）阵列芯片作为接收装置。VCSEL 阵列芯片和 SPAD 阵列芯片集成在同一装置内，形成了全固态的激光雷达。 然而，VCSEL阵列的单元的发射功率以及芯片的规模限制了FPA型固态激光雷达的探测范围和成像分辨率。 总的来说，无论是半固态式激光雷达还是FPA型固态激光雷达都尚未完全解决车载激光雷达在测量距离、成像分辨率、系统可靠性以及集成度等方面的问题。 与之相比，依靠集成光子回路（Photonics Integrated Circuit，PIC）平台制造的光学相控阵（Optical Phased Array，OPA），通过改变天线阵元间的相位延迟，以实现任意的光束指向。与MEMS激光雷达相比，OPA激光雷达不包含运动部件，光束指向只取决于当前的相位配置模式，与上一时刻的工作状态无关，实现了无惯性的光束扫描以及灵活的任意光束指向。与FPA型激光雷达相比，OPA激光雷达具有更好的光束指向性以及更高的分辨率，因此被认为是未来激光雷达中最具有潜力的解决方案。 根据行业分析机构预测，OPA固态式激光雷达有望在2030年之后逐步取代现有的MEMS 和Flash型激光雷达，成为车载激光雷达主流方案，如下图所示。 OPA激光雷达在绝缘体上硅（Silicon on Insulator，SOI）集成光子平台上加工制作，SOI集成光子平台具有损耗低、器件集成紧凑、器件种类丰富的优势，可将激光器、调制器、光电探测器和各类无源器件单片集成互连，此外与 III-V族材料的异构集成为片上光放大器和激光器提供了所需的增益介质。并且SOI平台制作工艺与成熟的互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）加工工艺高度重合，这为硅基 OPA芯片的制造提供了先进的技术和工艺生态系统，如下图所示： 目前全球已有很多硅光芯片代工厂可提供流片服务，随着先进的光电混合封装技术和异质异构集成技术的发展，有望实现全芯片化的集成激光雷达。 芯片化的OPA固态激光雷达概念图如下图所示： 增益介质与硅基外腔混合封装实现片上可调谐激光器；专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）控制芯片与OPA芯片通过倒装焊技术实现片上相位调制；由 Tx-OPA 完成光束发射，Rx-OPA 实现反射回波的接收；片上集成的探测器用以探测回波信号，信号由专用的数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）芯片实现探测信号的解算。所有的芯片都封装在同一个基板上，从而实现真正意义上的芯片式激光雷达。 三、光学相控阵扫描技术 OPA的原理与微波相控阵相同，只是信息载体换成光波。OPA 由一系列周期分布或按照某种规律分布的光学天线组成，通过片上相位调控单元调制相控阵的波前形貌，实现固态的光束扫描。 下图展示了OPA光束转向的过程。 初始情况下，各阵元之间的相位差为零，即相控阵的波前平行于阵列平面，此时光束的指向角度为0°，如图（a）所示。 通过对每个阵元相位的单独调控，可以调制波前形貌。当周期性分布的阵元间形成稳定的相位差φ时，波前平面倾斜，光束指向θ方向，如图（b）所示。 四、夫琅禾费衍射与OPA 波束成形 光学相控阵的原理类似于夫琅禾费衍射。因此，在介绍复振幅叠加模型之 前，先简要描述单缝和多缝夫琅禾费衍射的基本原理。在光学领域中，距离狭缝较远处形成的衍射图样，或通过透镜在其焦平面上形成的衍射图样，称为远场衍射图样。 图（a）为单缝衍射的示意图，光垂直狭缝入射，a为狭缝宽度，θ为衍射角度。 图（b）为多缝衍射示意图。 五、激光探测技术 激光雷达的测量方式主要可以分为直接测量飞行时间（direct Time of flight， dToF）法、间接测量飞行时间（indirect Time of flight，iToF）和相干测量法。 一般来说，TOF型测距技术主要基于光的强度调制实现，dToF激光雷达基于窄的脉冲激光，直接测量飞行时间差计算距离；iToF 激光雷达基于幅度调制的连续光（Amplitude-modulated Continuous Wave，AMCW），通过检测接收信号和发射信号的相位差计算距离；而相干探测法主要是基于光的频率调制，采用线性的频率调制连续光（Frequency-modulated Continuous Wave，FMCW），并测量回波信号与本地信号的拍频来实现测量。 下图展示了三种激光雷达测量原理示意图。 图（a）描述了脉冲式 ToF 的测量原理，发射脉冲光信号（蓝色）和接收脉冲光信号（红色），通过直接检测两个脉冲信号的延时 Δt，直接求解距离R=Δtc/2，其中c 是光速。因此，ToF 激光雷达的距离分辨率取决于时间数字转换器（Time-to-Digital Converter， TDC）的时间分辨率。并且为了测量更远的距离，ToF激光雷达需要数十瓦特的脉冲激光，因此发射部件需要能够承载瞬时高功率脉冲。 iToF 激光雷达的工作原理如图（b）所示，发射装置发射强度在时域上被调制的连续光，例如正弦波调制。接收装置会接收到具有相位延迟的反射波形，通过解算两个时域波形的相位差Δφ，可以求解目标距离。目标物体的距离可以表示为： 其中f为光信号波形的频率。由于采用了连续光，光功率较低，因此 iToF 方案的测量范围较小。 FMCW 激光雷达的工作模式如图（c）所示，发射装置发射频率线性调制的光信号，接收装置接收的光信号与本地信号相干混频，通过测量混频后的拍频信号可以求解目标物体的距离和径向速度。 FMCW的相干探测技术通过本地信号对回波信号的相干放大，实现对弱光信号的探测。因此FMCW激光雷达只需要几毫瓦的发射功率即可实现远距离的测量。 对于芯片化激光雷达而言，FMCW探测方案与ToF方案相比，有以下几个优势： 1、FMCW 探测技术的相干检测特性使其不受环境光和其他激光雷达系统的干扰，因为其只检测与本地信号相干的信号。 2、FMCW 激光雷达可以根据接收光的多普勒频移直接测量目标物体的径向速度，即实现 4D传感。 3、FMCW 激光雷达的测量分辨率取决于频率调制的调制带宽，对于探测器的响应速度要求不高。相较之下，ToF激光雷达的测量分辨率往往受限于探测器响应速度。 4、FMCW 测距方案更适用于集成光子的芯片化激光雷达。在发射装置方面，光电子集成芯片由于波导材料的非线性效应，无法承受dToF方案中过高的峰值光功率；而 FMCW 方案中发射低功率的连续光信号，通过相干探测的方式实现低功率的远距离探测，适用于集成光学器件。 在接收装置方面，dToF激光雷达往往需要高性能的雪崩光电探测器或者单光子探测器，然而1550 nm波段的铟镓砷雪崩光电探测器通常难以集成在SOI平台上。 FMCW 激光雷达通过相干探测的方式实现对弱光信号的探测，降低了激光雷达系统对探测器性能的要求。 目前，在SOI平台上集成的锗硅光电二极管已经实现超过200m的相干探测。除此以外，在集成的硅基光子平台上，FMCW 激光光源的片上混合集成以及片上的相干接收机均得到了验证。说明FMCW的光源、扫描装置、接收装置和探测装置可以完全集成在SOI芯片上，因此 FMCW 方案是当下实现光电子集成芯片固态激光雷达最合适的探测方案。 六、FMCW 测距原理 FMCW测距技术本质上是基于激光干涉的测量技术，它的光路较为简单，类似于迈克尔逊干涉仪和马赫曾德尔干涉仪。 不同之处在于，普通的干涉仪采用固定频率的光源，静止状态下在空间上具有稳定的干涉条纹。 当改变其中一个干涉臂光程时，条纹发生移动，因此普通干涉仪可以通过观测条纹的移动实现长度和折射率等信息的探测。 而FMCW采用频率线性调制的光源，光波的频率在时间域上被调制为锯齿波或三角波。FMCW 激光雷达的结构如下图所示： 调频光源发射频率线性调制的连续光信号，由耦合器分为本地信号光和发射信号光，发射信号光由发射装置（Tx）发射，经目标物体反射由接收装置（Rx）接收。 回波信号与本地信号混合后再由探测器探测合波信号I(t)。 两个光波的差频交流信号含有距离信息，而且由于激光的相干性只有同波列的差频信号才是稳定的，因此FMCW探测方法具有天然的抗干扰能力。 七、FMCW 测距的分辨率 测量分辨率是评价测量技术优异性的一项重要指标。 对于dToF型激光雷达而言，测量分辨率主要取决于系统的TDC的时间分辨率和探测器的响应带宽。 FMCW激光雷达的测量分辨率主要取决于光源的调制带宽，调制带宽越大，距离分辨率就越高。 八、FMCW 测速原理 上述介绍了对于静止目标的测量方法。当目标物体相对于雷达系统运动时，如图所示： 由于多普勒频移效应，物体的反射信号的频率将发生变化（红色虚线），导致上扫频拍频信号和下扫频拍频信号的分离。 九、结论： 硅基 OPA 芯片具有灵活快速的光束转向能力，并且可与现有的CMOS集成电路兼容，近年来围绕硅基OPA芯片的性能优化已有大量研究论文报道，随着光电子集成芯片技术的发展，未来有望实现光电子集成的小型化固态光束扫描器，进一步降低成本，推动自动驾驶等领域的OPA固态激光雷达产品的落地。 参考文献： (1)陈柏松 硅基光学相控阵芯片的研制及其激光雷达成像技术的研究[D]. (2)张功 大功率分布式布拉格反射激光器及其在调频连续波激光雷达中的应用[D]. (3)蔡一鸣 高平均功率脉冲光纤激光放大系统研究[D]. (4)赵蓉 基于飞秒激光直写光波导的光纤传感技术研究[D]. (5)丛阳滋 联合多源点云的激光雷达三维建图与更新[D].
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