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嘉峪檢測網(wǎng) 2026-01-12 21:08
一、激光雷達簡介
波束成形與掃描是一種控制電磁波束在自由空間中指向的技術。
該技術廣泛應用于無線電通信、微波相控陣雷達等射頻（Radio Frequency，RF）領域。 對于雷達而言，其向目標物體發(fā)射波束，通過物體反射的回波可以探測目標物體的距離及表面輪廓。
微波雷達的角分辨較低，通常只能用于判斷物體的距離，而缺失了物體的輪廓信息。近年來，自動駕駛領域?qū)囕d雷達的波束控制提出了高分辨率和高精度的要求，以應對復雜的街道環(huán)境。這促使激光雷達（Light Detection and Ranging，LiDAR）技術成為業(yè)界關注的焦點。
與傳統(tǒng)的毫米波雷達相比，激光雷達的工作波長更短，因此，激光雷達能夠?qū)崿F(xiàn)更高的分辨率，更遠的探測距離和更強的抗干擾能力。
憑借以上優(yōu)勢，近年來激光雷達在自動駕駛、遙感測量和智能倉儲等領域受到廣泛關注。其中，光學掃描器是激光雷達系統(tǒng)的核心組件，決定了系統(tǒng)的性能與可靠性。
二、激光雷達分類
根據(jù)光學掃描器的不同，激光雷達分為機械式、半固態(tài)式和全固態(tài)式。如圖（a）所示，傳統(tǒng)的機械式激光雷達中的機械式轉(zhuǎn)動限制了掃描速度并降低了系統(tǒng)的可靠性，其體積龐大且精度較低，探測性能嚴重受到器件轉(zhuǎn)動慣性和使用壽命的限制。
半固態(tài)的微機電系統(tǒng)（Micro-Electro Mechanical System，MEMS）激光雷達（如圖（b）和（c）所示），通過將運動部件小型化甚至芯片化，取消了傳統(tǒng)的馬達和多棱鏡等笨重的機械運動部件，顯著降低了激光雷達的尺寸并提高了可靠性。
然而，即便是芯片化的MEMS結(jié)構(gòu)依舊不是真正意義上的固態(tài)激光雷達，仍然受到運動部件的慣性引起的非線性掃描、機械可靠性和復雜的光機結(jié)構(gòu)所限制，導致在掃描速度、抗震性以及視場范圍方面仍然存在挑戰(zhàn)。
基于焦平面陣列（Focal plane array，F(xiàn)PA）的無光束掃描方案是當下主流的一種固態(tài)激光雷達形式。如圖（d）所示，將垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）陣列芯片作為光源，將二維單光子雪崩光電二極管（Single Photon Avalanche Diode，SPAD）陣列芯片作為接收裝置。VCSEL 陣列芯片和 SPAD 陣列芯片集成在同一裝置內(nèi)，形成了全固態(tài)的激光雷達。
然而，VCSEL陣列的單元的發(fā)射功率以及芯片的規(guī)模限制了FPA型固態(tài)激光雷達的探測范圍和成像分辨率。
總的來說，無論是半固態(tài)式激光雷達還是FPA型固態(tài)激光雷達都尚未完全解決車載激光雷達在測量距離、成像分辨率、系統(tǒng)可靠性以及集成度等方面的問題。
與之相比，依靠集成光子回路（Photonics Integrated Circuit，PIC）平臺制造的光學相控陣（Optical Phased Array，OPA），通過改變天線陣元間的相位延遲，以實現(xiàn)任意的光束指向。與MEMS激光雷達相比，OPA激光雷達不包含運動部件，光束指向只取決于當前的相位配置模式，與上一時刻的工作狀態(tài)無關，實現(xiàn)了無慣性的光束掃描以及靈活的任意光束指向。與FPA型激光雷達相比，OPA激光雷達具有更好的光束指向性以及更高的分辨率，因此被認為是未來激光雷達中最具有潛力的解決方案。
根據(jù)行業(yè)分析機構(gòu)預測，OPA固態(tài)式激光雷達有望在2030年之后逐步取代現(xiàn)有的MEMS 和Flash型激光雷達，成為車載激光雷達主流方案，如下圖所示。
OPA激光雷達在絕緣體上硅（Silicon on Insulator，SOI）集成光子平臺上加工制作，SOI集成光子平臺具有損耗低、器件集成緊湊、器件種類豐富的優(yōu)勢，可將激光器、調(diào)制器、光電探測器和各類無源器件單片集成互連，此外與 III-V族材料的異構(gòu)集成為片上光放大器和激光器提供了所需的增益介質(zhì)。并且SOI平臺制作工藝與成熟的互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）加工工藝高度重合，這為硅基 OPA芯片的制造提供了先進的技術和工藝生態(tài)系統(tǒng)，如下圖所示：
目前全球已有很多硅光芯片代工廠可提供流片服務，隨著先進的光電混合封裝技術和異質(zhì)異構(gòu)集成技術的發(fā)展，有望實現(xiàn)全芯片化的集成激光雷達。
芯片化的OPA固態(tài)激光雷達概念圖如下圖所示：
增益介質(zhì)與硅基外腔混合封裝實現(xiàn)片上可調(diào)諧激光器；專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）控制芯片與OPA芯片通過倒裝焊技術實現(xiàn)片上相位調(diào)制；由 Tx-OPA 完成光束發(fā)射，Rx-OPA 實現(xiàn)反射回波的接收；片上集成的探測器用以探測回波信號，信號由專用的數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）芯片實現(xiàn)探測信號的解算。所有的芯片都封裝在同一個基板上，從而實現(xiàn)真正意義上的芯片式激光雷達。
三、光學相控陣掃描技術
OPA的原理與微波相控陣相同，只是信息載體換成光波。OPA 由一系列周期分布或按照某種規(guī)律分布的光學天線組成，通過片上相位調(diào)控單元調(diào)制相控陣的波前形貌，實現(xiàn)固態(tài)的光束掃描。
下圖展示了OPA光束轉(zhuǎn)向的過程。
初始情況下，各陣元之間的相位差為零，即相控陣的波前平行于陣列平面，此時光束的指向角度為0°，如圖（a）所示。
通過對每個陣元相位的單獨調(diào)控，可以調(diào)制波前形貌。當周期性分布的陣元間形成穩(wěn)定的相位差φ時，波前平面傾斜，光束指向θ方向，如圖（b）所示。
四、夫瑯禾費衍射與OPA 波束成形
光學相控陣的原理類似于夫瑯禾費衍射。因此，在介紹復振幅疊加模型之 前，先簡要描述單縫和多縫夫瑯禾費衍射的基本原理。在光學領域中，距離狹縫較遠處形成的衍射圖樣，或通過透鏡在其焦平面上形成的衍射圖樣，稱為遠場衍射圖樣。
圖（a）為單縫衍射的示意圖，光垂直狹縫入射，a為狹縫寬度，θ為衍射角度。 圖（b）為多縫衍射示意圖。
五、激光探測技術
激光雷達的測量方式主要可以分為直接測量飛行時間（direct Time of flight， dToF）法、間接測量飛行時間（indirect Time of flight，iToF）和相干測量法。
一般來說，TOF型測距技術主要基于光的強度調(diào)制實現(xiàn)，dToF激光雷達基于窄的脈沖激光，直接測量飛行時間差計算距離；iToF 激光雷達基于幅度調(diào)制的連續(xù)光（Amplitude-modulated Continuous Wave，AMCW），通過檢測接收信號和發(fā)射信號的相位差計算距離；而相干探測法主要是基于光的頻率調(diào)制，采用線性的頻率調(diào)制連續(xù)光（Frequency-modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW），并測量回波信號與本地信號的拍頻來實現(xiàn)測量。
下圖展示了三種激光雷達測量原理示意圖。
圖（a）描述了脈沖式 ToF 的測量原理，發(fā)射脈沖光信號（藍色）和接收脈沖光信號（紅色），通過直接檢測兩個脈沖信號的延時 Δt，直接求解距離R=Δtc/2，其中c 是光速。因此，ToF 激光雷達的距離分辨率取決于時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Time-to-Digital Converter， TDC）的時間分辨率。并且為了測量更遠的距離，ToF激光雷達需要數(shù)十瓦特的脈沖激光，因此發(fā)射部件需要能夠承載瞬時高功率脈沖。
iToF 激光雷達的工作原理如圖（b）所示，發(fā)射裝置發(fā)射強度在時域上被調(diào)制的連續(xù)光，例如正弦波調(diào)制。接收裝置會接收到具有相位延遲的反射波形，通過解算兩個時域波形的相位差Δφ，可以求解目標距離。目標物體的距離可以表示為：
其中f為光信號波形的頻率。由于采用了連續(xù)光，光功率較低，因此 iToF 方案的測量范圍較小。
FMCW 激光雷達的工作模式如圖（c）所示，發(fā)射裝置發(fā)射頻率線性調(diào)制的光信號，接收裝置接收的光信號與本地信號相干混頻，通過測量混頻后的拍頻信號可以求解目標物體的距離和徑向速度。
FMCW的相干探測技術通過本地信號對回波信號的相干放大，實現(xiàn)對弱光信號的探測。因此FMCW激光雷達只需要幾毫瓦的發(fā)射功率即可實現(xiàn)遠距離的測量。
對于芯片化激光雷達而言，F(xiàn)MCW探測方案與ToF方案相比，有以下幾個優(yōu)勢：
1、FMCW 探測技術的相干檢測特性使其不受環(huán)境光和其他激光雷達系統(tǒng)的干擾，因為其只檢測與本地信號相干的信號。
2、FMCW 激光雷達可以根據(jù)接收光的多普勒頻移直接測量目標物體的徑向速度，即實現(xiàn) 4D傳感。
3、FMCW 激光雷達的測量分辨率取決于頻率調(diào)制的調(diào)制帶寬，對于探測器的響應速度要求不高。相較之下，ToF激光雷達的測量分辨率往往受限于探測器響應速度。
4、FMCW 測距方案更適用于集成光子的芯片化激光雷達。在發(fā)射裝置方面，光電子集成芯片由于波導材料的非線性效應，無法承受dToF方案中過高的峰值光功率；而 FMCW 方案中發(fā)射低功率的連續(xù)光信號，通過相干探測的方式實現(xiàn)低功率的遠距離探測，適用于集成光學器件。
在接收裝置方面，dToF激光雷達往往需要高性能的雪崩光電探測器或者單光子探測器，然而1550 nm波段的銦鎵砷雪崩光電探測器通常難以集成在SOI平臺上。
FMCW 激光雷達通過相干探測的方式實現(xiàn)對弱光信號的探測，降低了激光雷達系統(tǒng)對探測器性能的要求。
目前，在SOI平臺上集成的鍺硅光電二極管已經(jīng)實現(xiàn)超過200m的相干探測。除此以外，在集成的硅基光子平臺上，F(xiàn)MCW 激光光源的片上混合集成以及片上的相干接收機均得到了驗證。說明FMCW的光源、掃描裝置、接收裝置和探測裝置可以完全集成在SOI芯片上，因此 FMCW 方案是當下實現(xiàn)光電子集成芯片固態(tài)激光雷達最合適的探測方案。
六、FMCW 測距原理
FMCW測距技術本質(zhì)上是基于激光干涉的測量技術，它的光路較為簡單，類似于邁克爾遜干涉儀和馬赫曾德爾干涉儀。
不同之處在于，普通的干涉儀采用固定頻率的光源，靜止狀態(tài)下在空間上具有穩(wěn)定的干涉條紋。
當改變其中一個干涉臂光程時，條紋發(fā)生移動，因此普通干涉儀可以通過觀測條紋的移動實現(xiàn)長度和折射率等信息的探測。
而FMCW采用頻率線性調(diào)制的光源，光波的頻率在時間域上被調(diào)制為鋸齒波或三角波。FMCW 激光雷達的結(jié)構(gòu)如下圖所示：
調(diào)頻光源發(fā)射頻率線性調(diào)制的連續(xù)光信號，由耦合器分為本地信號光和發(fā)射信號光，發(fā)射信號光由發(fā)射裝置（Tx）發(fā)射，經(jīng)目標物體反射由接收裝置（Rx）接收。
回波信號與本地信號混合后再由探測器探測合波信號I(t)。
兩個光波的差頻交流信號含有距離信息，而且由于激光的相干性只有同波列的差頻信號才是穩(wěn)定的，因此FMCW探測方法具有天然的抗干擾能力。
七、FMCW 測距的分辨率
測量分辨率是評價測量技術優(yōu)異性的一項重要指標。
對于dToF型激光雷達而言，測量分辨率主要取決于系統(tǒng)的TDC的時間分辨率和探測器的響應帶寬。
FMCW激光雷達的測量分辨率主要取決于光源的調(diào)制帶寬，調(diào)制帶寬越大，距離分辨率就越高。
八、FMCW 測速原理
上述介紹了對于靜止目標的測量方法。當目標物體相對于雷達系統(tǒng)運動時，如圖所示：
由于多普勒頻移效應，物體的反射信號的頻率將發(fā)生變化（紅色虛線），導致上掃頻拍頻信號和下掃頻拍頻信號的分離。
九、結(jié)論：
硅基 OPA 芯片具有靈活快速的光束轉(zhuǎn)向能力，并且可與現(xiàn)有的CMOS集成電路兼容，近年來圍繞硅基OPA芯片的性能優(yōu)化已有大量研究論文報道，隨著光電子集成芯片技術的發(fā)展，未來有望實現(xiàn)光電子集成的小型化固態(tài)光束掃描器，進一步降低成本，推動自動駕駛等領域的OPA固態(tài)激光雷達產(chǎn)品的落地。
參考文獻：
(1)陳柏松 硅基光學相控陣芯片的研制及其激光雷達成像技術的研究[D].
(2)張功 大功率分布式布拉格反射激光器及其在調(diào)頻連續(xù)波激光雷達中的應用[D].(3)蔡一鳴 高平均功率脈沖光纖激光放大系統(tǒng)研究[D].(4)趙蓉 基于飛秒激光直寫光波導的光纖傳感技術研究[D].(5)叢陽滋 聯(lián)合多源點云的激光雷達三維建圖與更新[D].
來源：半導體全解
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