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，激光雷達自然也備受矚目。
圖 1 Quanergy的光學相控陣掃描雷達工作原理示意圖
Quanergy公司的Solid State LiDAR S3在CES 2017上獲得了汽車智能類（Vehicle Intelligence Category）的最高獎項——最佳創(chuàng)新獎（Best of Innovation Award），則再一次讓Quanergy利用固態(tài)掃描技術賺足了眼球。而作為車用激光雷達的老大Velodyne也當仁不讓，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)激光雷達成本降至50美金的核心芯片。當然，展會上還有Innoviz和TriLumina也宣稱要推出固態(tài)激光雷達，但受限于這兩家的公開資料太少，暫無法對其技術進行分析。
下面針對Quanergy和Velodyne的公開資料，對其技術進行簡單的分析。
一、Quanergy固態(tài)掃描技術
圖1 是Quanergy在2016年公開的Solid State LiDAR S3工作原理。可以看出S3采用的是光學相控陣技術實現(xiàn)激光掃描，其原理與相控陣雷達一樣，通過調(diào)節(jié)發(fā)射陣列中每個發(fā)射單元的相位差來改變激光的出射角度。
圖 1 Quanergy的光學相控陣掃描雷達工作原理示意圖
光學相控陣是怎樣通過控制發(fā)射陣列中每個發(fā)射單元的相位差來改變激光的出射角度呢？
我們可以通過一個簡單的比喻來認識光學相控陣是如何工作的（如圖 2所示）：
假設有10個人在左側(cè)排成一列并排向前走，把他們的連線作為他們整體運動的陣列面，垂直于連線向右的方向為前進方向。
● 如果10個人走路的速度都一樣時，則陣列面將平行向前移動，其前進方向不會發(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，當經(jīng)過一段時間后，最下方的人走得路程最遠，最上方的人走得路程最短，其陣列面的前進方向?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)過一段時間后，陣列面的前進方向?qū)⑾蛳路桨l(fā)生明顯的角度改變，如圖 2（c）所示。
圖 2 光學相控陣的工作原理距離說明
光學相控陣的工作原理與上面的比喻類似，它的每一個單元都可以對所通過的光（人）的速度進行控制。當一束光被分成許多個小單元（人），每小單元的光束（人）都通過一個光學相控陣單元，并被相控陣單元對其速度進行嚴格控制。當每個小單元的光束以同樣的時間通過光學相控陣后，其速度恢復到進入光學相控陣前的速度，但由于每個小單元的光束所走過的光程（路程）不一樣，通過光學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，如果我們把光學相控陣做成向二維陣列（如Quanergy的方案），我們就可以實現(xiàn)二維的掃描。光學相控陣一般都是通過電信號對其相位進行嚴格的控制實現(xiàn)光束指向掃描，因此也可以稱為電子掃描技術。
與傳統(tǒng)機械掃描技術相比，光學相控陣掃描技術有三大優(yōu)勢：
● 掃描速度快：光學相控陣的掃描速度取決于所用材料的電子學特性和器件的結(jié)構(gòu)，一般都可以達到MHz量級以上。
● 掃描精度或指向精度高：光學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區(qū)域進行高密度的掃描，在其他區(qū)域進行稀疏掃描，這對于自動駕駛環(huán)境感知非常有用。
但光學相控陣掃描技術也有它的缺點：
● 易形成旁瓣，影響光束作用距離和角分辨率：光束經(jīng)過光學相控陣器件后的光束合成實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：光學相控陣要求陣列單元尺寸必須不大于半個波長，一般目前激光雷達的工作波長均在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的技術背景和Quanergy對外發(fā)布的S3工作原理，如圖1所示，Quanergy應該是采用了光通信中成熟的平面光波導技術制作光學相控陣掃描器件。為了獲得良好的相干合成效果，要求波導結(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道理。如果采用脈沖測距體制，將導致信噪比不足，探測距離有限，必須采用其他手段來彌補，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，我們常說激光雷達的抗干擾能力強，那是因為傳統(tǒng)機械掃描的激光雷達接收視場特別小，外界的直接照射干擾信號很難對準并進入激光雷達的接收視場。而且，激光雷達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的光學相控陣掃描僅能對發(fā)射激光束指向進行控制，不能實現(xiàn)接收光路進行同步掃描，這就要求S3激光雷達必須采用一個大視場的接收光學系統(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先激光雷達采用“固態(tài)混合”（Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto）技術，但實際上Velodyne從其第一款64線激光雷達HDL-64開始，采用的就是固態(tài)混合技術。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的基礎上減少了16線，并對結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。但實際上HDL-64E和HDL-32E、VLP-16采用的都是同一種技術。
圖 4 HDL-64E激光雷達內(nèi)部照片
圖 5 HDL-32E激光雷達內(nèi)部照片
圖 6 VLP-16 激光雷達內(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，在方位方向（水平方向）采用機械360o旋轉(zhuǎn)掃描。
圖 7給出了一個類似于VLP-16的固態(tài)混合激光雷達結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖 7 固態(tài)混合多線激光雷達內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理示意圖
該雷達前端有一個發(fā)射光學系統(tǒng)和一個接收光學系統(tǒng)，在發(fā)射光學系統(tǒng)后端有N組發(fā)射模塊，而在接收光學后端有N組與發(fā)射模塊一一對應的接收模塊（圖中背面遮擋不可見）。當激光雷達開始工作時，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間順序輪流工作，例如，在時刻1，發(fā)射模塊1工作，發(fā)射激光脈沖，同時接收模塊1接收目標反射的發(fā)射模塊1發(fā)射的激光信號；在時刻2，發(fā)射模塊2工作，發(fā)射激光脈沖，同時接收模塊2接收目標反射的發(fā)射模塊2發(fā)射的激光信號；……在時刻N，發(fā)射模塊N工作，發(fā)射激光脈沖，同時接收模塊N接收目標反射的發(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械式的光學掃描，其掃描角度間隔由兩個相鄰模塊之間的間隔和光學系統(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”技術進行掃描，在方位方向通過機械掃描實現(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)掃描技術具有以下優(yōu)點：
● 掃描速度快：掃描速度只決于發(fā)射模塊的電子學響應速度，不受材料的特性影響，可以實現(xiàn)比光學相控陣更高的掃描頻率。但其掃描角度一定設計好后就完全固定，不能通過電控進行改變。
● 接收視場小：這種掃描技術是一種發(fā)射和接收同步掃描技術，接收視場小，抗光干擾能力強，信噪比高。
● 可承受高的激光功率：這種掃描技術完全是在自由空間中進行，可以采用高峰值功率的激光脈沖進行高信噪比的探測。
同時，這種掃描技術也存在以下問題：
● 實現(xiàn)二維掃描比較困難：按照目前這種非集成式的模塊化設計難以實現(xiàn)二維掃描，必須通過機械或其他方式實現(xiàn)另一維的掃描。集成化是這種技術發(fā)展的必然趨勢，也是實現(xiàn)二維掃描的關鍵。
● 掃描角度固定：但其掃描角度一定設計好后就完全固定，不能通過電控進行改變。
● 裝調(diào)工作量大：需要將發(fā)射和接收模塊進行精密光學對準裝配，工作繁復，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的光學相控陣掃描技術和Velodyne的固態(tài)混合掃描技術各有優(yōu)缺點。Velodyne的產(chǎn)品多年來已經(jīng)得到實際的驗證和使用，其用戶遍及了汽車主機廠、自動駕駛研究機構(gòu)和三維測繪等領域，目前是大家公認的市場老大。但因受到繁復的精密光學裝調(diào)工作量的影響，目前Velodyne的產(chǎn)能嚴重受限，遠遠跟不上市場的需求。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，一旦實現(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的光學相控陣技術代表的是一種新技術，但新技術就意味著技術不完善。如果Quanery無法解決旁瓣、信噪比和光干擾等問題，實現(xiàn)遠距離成像，那Quanergy的市場前景堪憂。一旦技術突破后，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，這對用戶來說是個利好消息。
至于市場對這兩家產(chǎn)品的具體反應，我們拭目以待！
本文作者朱少嵐，中國科學院大學博士，中國科學院精密機械研究所研究員，寧波傲視智繪光電科技有限公司創(chuàng)始人、董事長。2001 年進入中國科學院西安光學精密機械研究所工作，主要從事激光雷達及相關技術研究，為西安光機所激光雷達技術學科帶頭人，先后承擔多項激光雷達相關的國家重大專項項目研究。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，獲授權(quán)發(fā)明專利十項。
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