固态LiDAR基础知识点整理

最近看到一篇关于LiDAR的综述文章"A Progress Review on Solid-State LiDAR and Nanophotonics-Based LiDAR Sensors"，小豆芽这里整理下固态激光雷达的基础知识点。

1. 探测原理 LiDAR的探测原理主要分为以下三类, (a) Pulsed TOF TOF的全称是time of flight, 即通过飞行时间获知待测物体的距离。脉冲式TOF的工作原理如下图所示，

（图片来自文献1）

Tx端发射高能量的光脉冲，经过物体反射后被Rx端检测到，脉冲的往返时间差是delta_t, 因此待测物体的距离为

由于发射的是脉冲信号，其峰值功率可以非常高，因此脉冲TOF的方法可以探测较远的距离。

(b) AMCW TOF AMCW的全称为amplitude modulated continuous-wave，该方法采用强度调制的连续波光信号，而不是脉冲光。通过比较发射光与反射光的相位差，得到待测物体的距离信息，如下图所示，

（图片来自文献2）

待测物体的距离为，

(c)FMCW FMCW的全称为frequency modulated continuous wave, 即通过发射频率调节的光信号，发射波与反射波产生拍频信号，即可获得移动物体的位置与速度信息，如下图所示，

（图片来自文献1）

物体的距离与速度满足下式，

相比于TOF方案，FMCW的主要优势：(1)由于采用相干检测的方法，FMCW不受附近其他LiDAR系统的影响, (2)基于多普勒效应，可以同时获知物体的速度信息，(3)对光源光功率要求低,（4）深度精度高。

这三种探测方案的比较如下图所示，

（表格来自文献2）

2. 固态激光雷达

固态激光雷达按照成像方式可以分为三大类，即Flash型，MEMS型和OPA型。

(a) Flash型

Flash型激光雷达的成像原理与照相机类似，光源发出脉冲光，入射到物体后散射到探测器阵列上，如下图所示，不同位置的探测器可以接收到物体不同位置散射的信号，从而获悉物体的深度信息。

（图片来自文献2）

之所以取名为flash型, 因为光信号只发射一次，只要一次快闪flash就可以记录整个场景的信息。由于探测器接收到的信号强度与距离成反比，对于远距离探测的场景，学界在研究基于单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode，简称SPAD)的探测器阵列的方案。

(b) MEMS型

相比于传统的机械式扫描LiDAR, MEMS型LiDAR采用集成于芯片上的微透镜作为光束扫描的元件，通过微透镜转动调整光束的发射角度，具有体积小、可靠性高和功耗低等优势。

(c) OPA型

OPA的全称是optical phase array, 即光相控阵。它的工作原理如下图所示，

（图片来自文献2）

基于集成光学，光束在芯片内部被分为多路，每一路光的相位可以通过电信号进行控制，多路光路干涉后光束以特定角度发射。通过调整每一路光束的相对相位，可以实现对发射光束角度的调整。相较于另外两种固态LiDAR, OPA型LiDAR的扫描速度更快，并且有望做到与激光器单片集成。但是目前OPA型LiDAR还处于实验室研究阶段。

这几种固态LiDAR的比较如下表所示，

（表格来自文献2）

总体说来，激光雷达方案是上述几种方案的组合，以下是目前上市LiDAR公司采用方案与路线的整理，目前主流方案还是机械式和MEMS型，但是固态LiDAR是大家都比较认可的发展方向。

以上是对固态激光雷达技术基本知识点的简单整理，小豆芽刚接触这一方向，认识还比较粗浅，如果有表述不准确或者错误的地方，欢迎大家指正批评。

参考文献：

1. N. Li, et.al., "A Progress Review on Solid-State LiDAR and Nanophotonics-Based LiDAR Sensors", Laser & Photonics Reviews 2100511(2022) 2. S. Royo, et.al. , "An Overview of Lidar Imaging Systems for Automotive Vehicles", machines 9,4093(2019)