1引言

雷達(dá)技術(shù)作為人類感知世界的“眼睛”，具備對于人類視覺范圍以外、中遠(yuǎn)距離的環(huán)境感知的能力，在現(xiàn)代軍事和民用領(lǐng)域都扮演著重要的角色。眾所周知的毫米波雷達(dá)、微波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)展歷程較長，技術(shù)相對成熟，激光雷達(dá)（LiDAR）相比傳統(tǒng)雷達(dá)的工作頻段，光頻段的波長較短，因而可以極大提高雷達(dá)的距離分辨力、角分辨力、速度分辨力，并且得益于激光的高方向性和高相干性，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離抗干擾探測與測距。激光雷達(dá)測距和測速具有不同的工作方式，測距一般可以通過飛行時(shí)間法和三角法實(shí)現(xiàn)，調(diào)頻連續(xù)波的探測方法則可以實(shí)現(xiàn)速度、距離的同時(shí)測量。通過高靈敏的探測手段，可以精確獲得目標(biāo)的距離、速度等信息，在導(dǎo)彈制導(dǎo)、測繪、無人駕駛等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。通常激光雷達(dá)可以分為兩大類：機(jī)械式激光雷達(dá)和固態(tài)激光雷達(dá)。機(jī)械式激光雷達(dá)采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件作為光束掃描的實(shí)現(xiàn)方式，可以實(shí)現(xiàn)大角度掃描，但是裝配困難、掃描頻率低。固態(tài)激光雷達(dá)，目前的實(shí)現(xiàn)方式有微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system，MEMS）、面陣閃光（Flash）技術(shù)和光學(xué)相控陣（optical phased array，OPA）技術(shù)。MEMS采用微掃描振鏡，達(dá)到了一定的集成度，但是受限于振鏡的偏轉(zhuǎn)范圍；Flash技術(shù)已有商用，但是視場角受限，掃描速率較低；OPA掃描技術(shù)是基于微波相控陣掃描理論和技術(shù)發(fā)展起來的新型光束指向控制技術(shù)，具有無慣性器件、精確穩(wěn)定、方向可任意控制等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來研究的熱點(diǎn)，液晶、集成波導(dǎo)光學(xué)相控陣等固態(tài)技術(shù)方法層出不窮。激光雷達(dá)在無人駕駛、機(jī)器人等人工智能領(lǐng)域也將向著小型化的趨勢發(fā)展。本文圍繞激光雷達(dá)在智能等領(lǐng)域向著固態(tài)、小型化發(fā)展路線，綜述了國內(nèi)外的研究進(jìn)展。

2基本原理

激光雷達(dá)可以高精度、高準(zhǔn)確度地獲取目標(biāo)的距離、速度等信息或者實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成像。如圖1所示是激光雷達(dá)的發(fā)射和接收在同一系統(tǒng)中的工作原理。激光通過掃描器單元形成光束角度偏轉(zhuǎn)，光束與目標(biāo)作用形成反射/散射的回波。當(dāng)接收端工作時(shí)，可產(chǎn)生原路返回的回波信號(hào)光子到達(dá)接受器，接收端通過光電探測器形成信號(hào)接收，經(jīng)過信號(hào)處理得到目標(biāo)的距離、速度等信息或?qū)崿F(xiàn)三維成像?？梢?，光束掃描器和探測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式便是研究重點(diǎn)，需求從機(jī)械式向小型化全固態(tài)方向發(fā)展。

3MEMS激光雷達(dá)

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）可達(dá)到一定的集成化要求，引起了人們的廣泛關(guān)注。如圖2所示，目前已逐漸商用的MEMS激光雷達(dá)是采用微振鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行激光束偏轉(zhuǎn)，微振鏡需要具有平整的光學(xué)鏡面，將機(jī)械式激光雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)部件微縮，增加集成度。二維掃描的MEMS微振鏡是激光雷達(dá)的關(guān)鍵器件，主要可以通過電熱效應(yīng)、靜電效應(yīng)、電磁效應(yīng)和壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)。有研究小組通過對電熱雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)的微振鏡加熱，金屬鋁的形變大于介質(zhì)硅，從而形成微結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)可以施加電壓2.3V，獲得9°的偏轉(zhuǎn)角。但是電熱效應(yīng)引起微振鏡偏轉(zhuǎn)通常響應(yīng)速度較低，有實(shí)驗(yàn)通過施加12mW的電功率，響應(yīng)速度只有74Hz。電磁效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的MEMS系統(tǒng)需要在內(nèi)部封裝可動(dòng)磁性物質(zhì)或者可動(dòng)線圈產(chǎn)生磁場，如圖3所示，通過施加磁場形成洛倫茲力使得線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)MEMS振鏡偏轉(zhuǎn)，響應(yīng)速度可以超過10kHz。壓電效應(yīng)需要異質(zhì)材料的介入，壓電材料（PZT）具有高效率、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。日本研究小組采用電鍍的方法在硅上沉積PZT薄膜，加工形成MEMS結(jié)構(gòu)并進(jìn)行光學(xué)掃描，實(shí)驗(yàn)獲得11.2kHz的響應(yīng)速度，39°的視場角。靜電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)MEMS具有尺寸小、可單片全集成的優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛研究。通常，采用靜電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)微反射鏡的方式需要在真空環(huán)境下，以獲得更高的驅(qū)動(dòng)效率，10V電壓驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)大約10°的掃描角度。瑞典KTH的研究小組近期驗(yàn)證了一種新方法，如圖4所示，通過MEMS改變光柵周期實(shí)現(xiàn)衍射光角度偏轉(zhuǎn)，在20V電壓驅(qū)動(dòng)下達(dá)到5.6°的掃描角度，功率消耗在微瓦量級。

MEMS振鏡用于激光雷達(dá)系統(tǒng)，需要具備大孔徑以滿足激光雷達(dá)分辨力等需求。靜電驅(qū)動(dòng)7mm直徑尺寸的雙軸可偏轉(zhuǎn)MEMS振鏡，采用簡單易行的飛行時(shí)間（time of flight，TOF）的測距方法，測量了距離0.5m至80m的目標(biāo)，視場角30°，掃描頻率550Hz。如圖5所示，為進(jìn)一步提高LiDAR光學(xué)口徑，采用2×7的微振鏡陣列，等效綜合口徑334mm，填充因子80%，其中發(fā)射端信號(hào)是一維掃描的強(qiáng)度調(diào)制連續(xù)波，接收端是大孔徑的振鏡組，掃描角度60°，掃描頻率250Hz。單個(gè)微振鏡可以做到20mm的直徑尺寸，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在兩個(gè)軸上均可以達(dá)到7.2°的光束掃描角度，壓電驅(qū)動(dòng)MEMS的諧振頻率在1kHz左右，100W的激光能量沒有對MEMS鏡面產(chǎn)生破壞。相控陣技術(shù)是MEMS實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)功能的另一個(gè)解決方案，其基本原理是，MEMS的微小移動(dòng)產(chǎn)生光程差，多個(gè)具有不同相位的出射光束在遠(yuǎn)場干涉形成光束偏轉(zhuǎn)。韓國Byung-WookYoo等人的研究小組對此方案進(jìn)行研究，如圖6所示，在硅基上制備具有8×8高對比光柵的MEMS結(jié)構(gòu)相控陣，優(yōu)化的性能表現(xiàn)為10V電壓即可產(chǎn)生1.7π的相移，具有0.5MHz的響應(yīng)速度，采用透鏡系統(tǒng)擴(kuò)大視場，測量得到遠(yuǎn)場總視場角為9.14°×9.14°。

4FLASH激光雷達(dá)

20世紀(jì)90年代，有研究者就提出了非掃描式的激光雷達(dá)概念，屬于3D成像激光雷達(dá)。如圖7所示，F(xiàn)lash激光雷達(dá)采用類似照相機(jī)的工作模式，感光元件與普通相機(jī)不同，每個(gè)像素點(diǎn)可以記錄光子飛行時(shí)間信息。發(fā)射的面陣激光照射到目標(biāo)上，目標(biāo)對入射光產(chǎn)生散射，由于物體具有三維空間屬性，從而照射到物體不同部位的光具有不同的飛行時(shí)間，被焦平面探測器陣列探測，輸出為具有深度信息的“三維”圖像。如圖8 所示，F(xiàn)lash激光雷達(dá)也經(jīng)歷了小型化發(fā)展歷程，所占空間從起初的車廂級到辦公桌級，再到現(xiàn)在的厘米級，這都得益于緊湊型激光器陣列、探測器陣列的發(fā)展。2010年報(bào)道了3D Flash激光雷達(dá)的攝像機(jī)技術(shù)，進(jìn)行多運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測與跟蹤應(yīng)用，證實(shí)了概念的可行性。NASA有研究報(bào)道3D成像形式的Flash激光雷達(dá)可用于航天器在行星體的自動(dòng)著陸，系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示，F(xiàn)lash激光雷達(dá)具有256×256像素點(diǎn)探測器，掃描速率30 Hz在模擬場景下進(jìn)行1 km距離的相關(guān)測試。另外，在測繪領(lǐng)域，對不同地形、森林等環(huán)境進(jìn)行探測，實(shí)驗(yàn)使用1064nm波長的Flash激光雷達(dá)，具備20°視場角，55Hz的幀速率。Flash激光雷達(dá)的性能主要決定于焦平面探測器陣列，焦平面探測器陣列可以使用PIN型光電探測器，在探測器前端加上透鏡單元并采用高性能讀出電路可以實(shí)現(xiàn)短距離探測，系統(tǒng)如圖10所示。對于遠(yuǎn)距離探測需求，目前滿足需求的高性能的探測器—雪崩型光電探測器（avalanchephotodetector，APD），其探測的靈敏度高，可實(shí)現(xiàn)單光子探測，基于APD的面陣探。

測器具有遠(yuǎn)距離單幅成像、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)。APD探測器分線性和蓋革兩種工作模式：線性模式雪崩光電二極管探測器（linear mode avalanche photodiode，LMAPD）和蓋革模式雪崩光電二極管探測器（Geiger mode avalanche photodiode，GMAPD）。Lincoln實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了可應(yīng)用于激光雷達(dá)的面陣探測器的一系列研究。工作在可見光波段的32×32的GMAPD，并且集成了500 MHz的計(jì)時(shí)電路，可實(shí)現(xiàn)每秒5000～10000次的成像速度，距離分辨率15cm。也報(bào)道了256×256面陣規(guī)模的GMAPD，如圖11所示，將探測器單片混合集成到CMOS讀出電路上，實(shí)現(xiàn)無源光子計(jì)數(shù)成像，經(jīng)過30ms的多幀疊加，可以獲得3.5km處較清晰的像。Raytheon公司報(bào)道了碲鎘汞（HgCdTe）材料LMAPD陣列用于3D激光雷達(dá)探測，面陣規(guī)?？蛇_(dá)到256×256，并驗(yàn)證了線性模式下單光子計(jì)數(shù)，從而可提供實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)距離探測功能。Flash激光雷達(dá)的距離分辨力和角度分辨力直接受限于探測器性能，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測，焦平面陣列探測器需要價(jià)格昂貴的雪崩光電探測器（APD），更大面積、更高性能的探測器很難獲得。為了解決Flash激光雷達(dá)分辨力受限的問題，韓國KAIST有研究小組提出采用偏振調(diào)制普克爾盒（polarizationmodulating Pockels cell，PMPC）和面陣微偏振電荷耦合器件（micro-polarizer charge-coupled device，MCCD）的方案，由于激光偏振態(tài)隨著距離產(chǎn)生變化，MCCD可以探測回波的偏振態(tài)，計(jì)算得到距離，1024×1024個(gè)陣元數(shù)的MCCD可以彌補(bǔ)大面積的APD陣列的不足，獲得較高的角分辨力。實(shí)驗(yàn)得到了0.12mrad的角分辨率和16m范圍內(nèi)5.2mm的距離分辨率。

5OPA激光雷達(dá)

高系統(tǒng)集成度的光學(xué)相控陣技術(shù)能夠滿足激光雷達(dá)在無人駕駛、無人機(jī)等領(lǐng)域全固態(tài)、小型化的發(fā)展需求。如圖12所示，激光器功率均分到多路相位調(diào)制器陣列，光場通過光學(xué)天線發(fā)射，在空間遠(yuǎn)場相干疊加形成一個(gè)具有較強(qiáng)能量的光束。經(jīng)過特定相位調(diào)制后的光場在發(fā)射天線端產(chǎn)生波前的傾斜，從而在遠(yuǎn)場反映成光束的偏轉(zhuǎn)，通過施加不同相位，可以獲得不同角度的光束形成掃描的效果，無需機(jī)械掃描。

McManamon等人研制出首個(gè)液晶材料的光學(xué)相控陣結(jié)構(gòu)，液晶在全固態(tài)的激光雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了可行性的初步驗(yàn)證。如圖13所示，通過外加電壓改變液晶的取向，實(shí)現(xiàn)不同陣元的相位調(diào)節(jié)，可以獲得遠(yuǎn)場光束的偏轉(zhuǎn)效果。液晶的光學(xué)相控陣有驅(qū)動(dòng)電壓較小、易于大面積陣列集成的優(yōu)點(diǎn)，目前較大規(guī)模商用的空間光調(diào)制器（spatial light modulator，SLM）得到了產(chǎn)業(yè)界的檢驗(yàn)，有望應(yīng)用在激光雷達(dá)領(lǐng)域。目前，液晶光學(xué)相控陣的最大掃描角度大約±10°，掃描速度在毫秒量級。研究者主要圍繞如何增大響應(yīng)速度、增加掃描精度等問題開展研究。David Engstr?m等人為了彌補(bǔ)液晶光學(xué)相控陣的響應(yīng)時(shí)間的不足，使用鐵電液晶材料的空間光調(diào)制器，增大了液晶的響應(yīng)速度，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到200μs，控制電壓范圍±3.4V，光束偏轉(zhuǎn)角達(dá)到±9°。

液晶光學(xué)相控陣激光雷達(dá)具有很多優(yōu)勢，不需要機(jī)械掃描部件，有很大的潛力應(yīng)用于現(xiàn)代新型激光雷達(dá)，但是液晶光學(xué)相控陣的掃描角度、掃描速度有待進(jìn)一步提升，以使?jié)M足激光雷達(dá)在人工智能領(lǐng)域?qū)τ诟咚伲ò賙Hz量級以上）、大角度掃描（幾十度以上）的需求。

1972年，Meyer首次提出了使用鉭酸鋰（LiTaO3）這種單軸電光晶體材料制成的46通道波導(dǎo)相控陣。2π相移所需電壓為32V，在各電極上加載合適的電壓獲得線形相位傾斜，可應(yīng)用于一維掃描，驗(yàn)證了光學(xué)相控陣原理的可行性。硅基半導(dǎo)體具有CMOS工藝兼容、集成度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，如今絕緣襯底上的硅（silicon-on-insulator，SOI）是集成光學(xué)領(lǐng)域至關(guān)重要的晶圓之一。硅材料具有較高的熱光系數(shù)，還具有等離子體色散的電光效應(yīng)，硅基片上集成激光雷達(dá)也應(yīng)運(yùn)而生，迄今發(fā)展了約十年。南加州大學(xué)的SungWon Chung等人制作了1024 個(gè)陣元數(shù)的光學(xué)相控陣。這是目前陣元數(shù)較多的一維相控陣，采用標(biāo)準(zhǔn)180nm SOI工藝，主要給出了熱光相位調(diào)制方向上獲得45°的掃描角和0.03°的分辨角。采用的電壓控制方式是一簇一簇的，從而只有136個(gè)獨(dú)立控制電壓，加熱響應(yīng)時(shí)間大約66μs。MIT的研究者則圍繞在硅基上構(gòu)造二維納米天線結(jié)構(gòu)對光學(xué)相控陣的方案進(jìn)行了大量研究。他們在硅基上構(gòu)造金屬納米天線結(jié)構(gòu)，如圖14所示，熱光相移器與天線集成，采用高斯切趾的方法進(jìn)行旁瓣壓縮，實(shí)現(xiàn)π相移功率消耗8.5mW，可獲得24°的視場角和1.6°的光斑分辨率，實(shí)驗(yàn)獲得19dB的旁瓣壓縮。

光學(xué)相控陣芯片應(yīng)用于LiDAR系統(tǒng)，需要進(jìn)行目標(biāo)的探測，得到目標(biāo)的距離、速度等信息或?qū)ζ溥M(jìn)行成像。進(jìn)而，有研究小組集成了光學(xué)相控陣獨(dú)立收發(fā)器LiDAR 芯片，采用調(diào)頻連續(xù)波（frequency modulated continuouswave，F(xiàn)MCW）方法進(jìn)行信號(hào)探測，如圖15所示。相移器分成三組分別進(jìn)行電控制，以補(bǔ)償一定的加工誤差和獲得一定的調(diào)制精度。二維掃描的水平方向?yàn)闊嵴{(diào)制相位，垂直方向?yàn)椴ㄩL調(diào)制，測得遠(yuǎn)場掃描角度46°×36°，光斑角分辨率是0.85°×0.18°，實(shí)驗(yàn)探測了三個(gè)不同角度上的物體，探測2m的距離范圍，距離精度20mm。法國有研究小組在硅基上采用光開關(guān)進(jìn)行延遲線，從而控制不同的非連續(xù)掃描角度。片上集成平衡探測器研究FMCW的探測方式，采用外接光纖這種長延遲線，以5mW的光功率輸出測試到了60m遠(yuǎn)的移動(dòng)物體，指出遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測精度對于延遲線的長度提出了更高要求。除了激光器和外部光纖，整個(gè)芯片尺寸約9mm×9mm。南加州大學(xué)的研究報(bào)道了單片集成8×8 相控陣列收發(fā)芯片，如圖16所示。與MIT小組同樣采用的是熱光效應(yīng)納米天線的相移器。27.2mW的電功率損耗即可獲得2π相移，獲得了12dB的邊模抑制**比，測試得到二維成像效果，可應(yīng)用于激光雷達(dá)成像。硅基集成光學(xué)芯片可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成激光器、調(diào)制器、放大器、光學(xué)天線等結(jié)構(gòu)單元，此解決方案使得激光雷達(dá)具有全固態(tài)、小型化、低功耗、低成本等優(yōu)勢。目前主要集中于如何有效地減小陣列串?dāng)_、提高掃描精度、增大掃描角度、提高熱穩(wěn)定性等問題而且由于片上光功率較低，使得遠(yuǎn)距離探測存在困難。

6總結(jié)與展望

響應(yīng)速度、驅(qū)動(dòng)電壓、旁瓣壓縮等底層技術(shù)指標(biāo)分別影響了激光雷達(dá)系統(tǒng)的掃描速度、功耗、視場角等性能。提升材料的響應(yīng)速度將提高系統(tǒng)的掃描速度；驅(qū)動(dòng)電壓的減小將有利于系統(tǒng)功耗的整體降低；OPA的旁瓣壓縮技術(shù)將提高系統(tǒng)的視場角，獲得更大的掃描范圍；分辨力的提高將使得系統(tǒng)能夠更好地分辨目標(biāo)的細(xì)節(jié)，不同方案的激光雷達(dá)性能對比如表1所示。

機(jī)械式激光雷達(dá)存在精密裝配困難、系統(tǒng)龐大等缺點(diǎn)，目前價(jià)格仍然居高不下。為了突破這一缺陷，研究者們提出了諸多的解決方案。20世紀(jì)90年代開始出現(xiàn)Flash 3D成像激光雷達(dá)，也出現(xiàn)了通過液晶實(shí)現(xiàn)的首個(gè)光學(xué)相控陣結(jié)構(gòu)，21世紀(jì)初出現(xiàn)了MEMS類型的激光雷達(dá)組件，迄今各種方案競相追逐，不斷發(fā)展。MEMS器件作為機(jī)械式向固態(tài)LiDAR過渡的解決方案，具有一定程度的小型化、響應(yīng)速度較快的特點(diǎn)，且MEMS功能性結(jié)構(gòu)能夠忍受熱壓，因此可以承受相對較高的激光能量，但是由于MEMS結(jié)構(gòu)單元尺寸較大，存在機(jī)械振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，受環(huán)境因素影響較大。針對全固態(tài)激光雷達(dá)發(fā)展需求，F(xiàn)lash激光雷達(dá)可對目標(biāo)一次照射成像，成像質(zhì)量最終取決于面陣探測器的性能，但是數(shù)據(jù)龐大，一次成像速度較慢。液晶光學(xué)相控陣器件在空間光調(diào)制器領(lǐng)域商業(yè)化應(yīng)用成熟，具有全固態(tài)、便宜、可大面積制作等特點(diǎn)，但是響應(yīng)速度較慢、光束可偏轉(zhuǎn)角度較小。數(shù)十年來，集成光波導(dǎo)相控陣芯片作為全固態(tài)、小型化LiDAR最有潛力的解決方案得到了廣泛的研究，硅基光學(xué)相控陣激光雷達(dá)具有CMOS兼容的特點(diǎn)，價(jià)格便宜，但是熱光效應(yīng)的掃描速度仍有待提升，可以采用硅基等離子體色散效應(yīng)的相位調(diào)制器來滿足更高速的應(yīng)用需求。從目前相控陣芯片性能來看，光學(xué)相控陣天線的大規(guī)模集成將增大激光雷達(dá)的光學(xué)孔徑，提高分辨力，但是，大規(guī)模片上激光雷達(dá)尺寸根本上是受限于電壓控制單元的電極引線總體尺寸，相控陣列數(shù)越多，電極排布越困難，可以通過電極多層分布的方式解決此問題。目前在研究比較熱門的車載激光雷達(dá)領(lǐng)域，成熟商用的激光雷達(dá)大多是機(jī)械式激光雷達(dá)，行業(yè)龍頭Velodyne公司成立于1983年經(jīng)過多年機(jī)械雷達(dá)研究的積累，行業(yè)地位很難動(dòng)搖。Leddar Tech公司是MEMS激光雷達(dá)的代表性公司。國內(nèi)的激光雷達(dá)公司大多成立不久，鐳神智能、北科天繪、速騰聚創(chuàng)、禾賽科技等大多在機(jī)械式激光雷達(dá)方案上不斷改進(jìn)，在MEMS激光雷達(dá)領(lǐng)域有所涉及但仍未大規(guī)模商用；北醒科技、光珀智能、華科博創(chuàng)等國內(nèi)公司在Flash激光雷達(dá)領(lǐng)域也不斷推出產(chǎn)品。Quanergy公司將相控陣激光雷達(dá)代入商業(yè)視野，正研發(fā)適用于車內(nèi)傳感系統(tǒng)和無人駕駛汽車的全固態(tài)激光雷達(dá)?？傊?，大功率、大掃描角度、高分辨力等高性能參數(shù)的全固態(tài)、小型化激光雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)仍然需要進(jìn)一步的研究。隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)、材料技術(shù)日新月異的發(fā)展，加工工藝更加精密、集成規(guī)模更大，相信在不久的將來一定能夠?qū)崿F(xiàn)全固態(tài)、小型化的激光雷達(dá)在智能領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用。