激光雷達（LiDAR，Laser Detecting and Ranging）作為一種先進的傳感技術，通過發(fā)射激光脈沖并測量其返回時間來計算目標距離，被廣泛應用于自動駕駛、機器人、工業(yè)自動化等領域。隨著技術的發(fā)展，激光雷達經(jīng)歷了從機械式到半固態(tài)再到固態(tài)的演變過程。本文將深入探討固態(tài)和半固態(tài)激光雷達的工作原理、特點及其應用。

一、半固態(tài)激光雷達

半固態(tài)激光雷達是介于機械式和固態(tài)激光雷達之間的一種過渡形態(tài)，它通過部分機械運動實現(xiàn)掃描。半固態(tài)激光雷達主要可以分為一維掃描和二維掃描兩類，而根據(jù)其運動部件的不同，又可以細分為MEMS（微機電系統(tǒng)）半固態(tài)激光雷達、轉鏡類半固態(tài)激光雷達和棱鏡類半固態(tài)激光雷達。

1. MEMS半固態(tài)激光雷達

MEMS半固態(tài)激光雷達的核心是一個微小的反射鏡（MEMS微鏡），通過電靜力或熱致動方式實現(xiàn)快速精確的運動，從而改變激光束的方向。MEMS微鏡集成在半導體基板上，尺寸小且重量輕，能夠實現(xiàn)高頻率的掃描。這種激光雷達具有高分辨率和快速掃描能力，適用于動態(tài)場景下的環(huán)境感知和障礙物檢測。然而，MEMS微鏡的掃描角度有限，通常在120度以內，難以實現(xiàn)360度全景掃描。

2. 轉鏡類半固態(tài)激光雷達

轉鏡類半固態(tài)激光雷達依靠一個旋轉的反射鏡實現(xiàn)激光的掃描。這種激光雷達通常包含一個電機和鍍膜反射鏡，反射鏡可以是三面或四面，通過勻速旋轉實現(xiàn)全方位掃描。轉鏡類激光雷達具有結構簡單、可靠性高的優(yōu)點，但掃描頻率和精度可能受到電機性能和反射鏡材料的影響。

3. 棱鏡類半固態(tài)激光雷達

棱鏡類半固態(tài)激光雷達采用一個不斷旋轉的多邊形棱鏡和一個可以在縱軸擺動的鏡子來改變激光方向。這種設計僅需一束光源就能完成多個光源才能完成的掃描任務，但掃描頻率和功率要求較高，給掃描器件帶來了可靠性方面的挑戰(zhàn)。

二、固態(tài)激光雷達

固態(tài)激光雷達是激光雷達技術發(fā)展的最新階段，其內部沒有任何機械運動部件，結構最為簡單且集成度最高。固態(tài)激光雷達主要分為相控陣（OPA）激光雷達和Flash激光雷達兩種技術路線。

1. 相控陣（OPA）激光雷達

相控陣激光雷達通過控制激光束的相位來改變掃描方向。這種激光雷達由多個激光發(fā)射單元組成發(fā)射陣列，通過調節(jié)各個單元的相位差，實現(xiàn)激光光束的發(fā)射角度變化。相控陣激光雷達具有高精度和高分辨率的優(yōu)點，且掃描頻率可以非常高，適用于需要快速響應和高精度測量的場景。然而，相控陣激光雷達的技術復雜度較高，成本也相對較高。

2. Flash激光雷達

Flash激光雷達則通過高密度的激光源陣列，像手電筒一樣在短時間內發(fā)射出覆蓋一片區(qū)域的激光，并用高靈敏度的接收器來構建三維圖像。Flash激光雷達的發(fā)射光線會散布在整個視場內，因此其探測的視場角（FoV）越大，激光功率密度越低，探測距離和精度也會相應降低。為了提升性能，可尋址掃描Flash激光雷達被開發(fā)出來，通過依次點亮發(fā)射器實現(xiàn)空間區(qū)域的掃描，但仍然存在遠距離檢測和大角度覆蓋的難題。

三、固態(tài)與半固態(tài)激光雷達的應用

固態(tài)和半固態(tài)激光雷達在自動駕駛、機器人、工業(yè)自動化等領域具有廣泛的應用前景。

1. 自動駕駛

在自動駕駛領域，固態(tài)和半固態(tài)激光雷達被用于環(huán)境感知、障礙物檢測和3D地圖構建。半固態(tài)激光雷達的高分辨率和快速掃描能力使其適用于動態(tài)場景下的障礙物檢測，而固態(tài)激光雷達的高精度和高可靠性則使其成為自動駕駛汽車主激光雷達的理想選擇。

2. 機器人

在機器人領域，固態(tài)和半固態(tài)激光雷達被用于導航和避障。通過提供高精度的三維環(huán)境信息，激光雷達幫助機器人在復雜環(huán)境中自主移動，實現(xiàn)精準定位和路徑規(guī)劃。

3. 工業(yè)自動化

在工業(yè)自動化領域，固態(tài)和半固態(tài)激光雷達被用于精密測量和檢測，提高生產(chǎn)線的自動化和智能化水平。激光雷達的高精度和快速響應能力使其成為工業(yè)自動化系統(tǒng)中不可或缺的傳感器之一。

四、結論

固態(tài)和半固態(tài)激光雷達作為激光雷達技術發(fā)展的最新成果，具有各自獨特的工作原理和優(yōu)勢。半固態(tài)激光雷達通過部分機械運動實現(xiàn)高分辨率和快速掃描，適用于動態(tài)場景下的環(huán)境感知；而固態(tài)激光雷達則通過控制激光束的相位或發(fā)射陣列實現(xiàn)高精度和高可靠性，適用于需要快速響應和高精度測量的場景。隨著技術的不斷進步和成本的降低，固態(tài)和半固態(tài)激光雷達將在自動駕駛、機器人、工業(yè)自動化等領域發(fā)揮越來越重要的作用。

審核編輯 黃宇