很多時候我們看到的全固態(tài)激光雷達只是“體積更小”“成本更低”“更適合上車”這些結論式說法，卻很少有人耐心拆解它到底“固態(tài)”在什么地方，和我們熟悉的機械式、半固態(tài)激光雷達本質差別在哪，現(xiàn)在發(fā)展到了哪一步，又到底解決了哪些問題、還沒解決哪些問題。今天就帶大家來聊聊這些內容。

　　什么是激光雷達?

　　在聊全固態(tài)激光雷達之前，我們還是要先理解什么是激光雷達。激光雷達，全稱是LiDAR(Light Detection and Ranging)，中文顧名思義就是“光探測與測距”。它就是發(fā)出一束激光，等激光束遇到物體反射回來后，測量往返時間，再乘以光速就得到目標物體的距離。

　　這種基本的測距方式叫飛行時間法(Time-of-Flight,ToF)，是激光雷達工作的底層邏輯。通過高速發(fā)射大量激光脈沖，再把每次返回的距離和角度信息組合起來，就能構建一個三維空間的點云圖，以展現(xiàn)周圍環(huán)境的形狀、位置和尺寸。

　　激光雷達的優(yōu)勢是可以生成三維感知，這種能力恰好是攝像頭和毫米波雷達難以同時兼顧的。攝像頭有顏色和紋理信息但難以準確測距，毫米波雷達能測距和速度但分辨率有限，而激光雷達則能較高精度地獲得環(huán)境距離信息，這使得它在自動駕駛、機器人、自主導航甚至地形測繪中不可或缺。

　　早期的激光雷達多采用機械旋轉掃描的方式，通過電機、轉臺等機械結構讓激光束“掃過”整個周圍空間。這樣的設計能覆蓋360°的視角，并得到密集的點云數(shù)據(jù)，但體積大、成本高且有機械磨損問題，不利于量產(chǎn)。正是在這種背景下，人們開始探索一種新的激光雷達方案，即半固態(tài)激光雷達。

　　所謂“半固態(tài)”，指的是它不像傳統(tǒng)機械式激光雷達那樣整個雷達都要機械旋轉，而是把真正發(fā)射和接收光線的核心模塊固定住，只讓一些小的部件做機械運動。這樣的設計使得它的運動部件相比傳統(tǒng)機械雷達少得多，所以結構更簡單、更穩(wěn)定。

　　現(xiàn)階段，又有技術方案提出，是否可以進一步減少半固態(tài)激光雷達中的可動機械部件，讓激光雷達直接全固態(tài)?

　　什么叫“全固態(tài)激光雷達”?

　　全固態(tài)，顧名思義，就是沒有任何可動的機械部件。在激光雷達里，這意味著不用轉動電機、也不用微振鏡等傳統(tǒng)移動元件來改變激光發(fā)射方向，而是通過電子手段或者特殊光學結構來控制光束的發(fā)射與接收。這樣可以讓激光雷達更小、更可靠、更易大規(guī)模生產(chǎn)、成本更低。之所以不斷追求固態(tài)激光雷達，是因為機械激光雷達存在如下問題。

　　機械件耐久性差，特別是在車用環(huán)境下，需要經(jīng)受溫度、震動、灰塵等考驗。

　　復雜的機械結構造價高，量產(chǎn)難度大，不利于汽車等大規(guī)模行業(yè)裝配。

　　機械部分速度有限，無法做到像電子掃描那樣極高的刷新頻率。

　　全固態(tài)激光雷達，要求激光束從發(fā)射到掃描再到接收全部靠電子和光學結構實現(xiàn)，而無需任何旋轉、擺動等物理運動。這種方案不但小型化程度高，而且長期穩(wěn)定性和適應性也顯著增強。

　　全固態(tài)激光雷達的技術路徑與原理

　　當前全固態(tài)方案的實現(xiàn)路徑主要有兩種，即光學相控陣(Optical Phased Array,OPA)和Flash激光雷達(Flash LiDAR)，每種方案的原理不同，適用場景也各有優(yōu)勢和限制。

　　1)光學相控陣(OPA)：無需機械掃描的電子光束控制

　　在機械激光雷達或半固態(tài)激光雷達中，想讓激光束掃過空間必須靠旋轉或擺動鏡面。OPA的設計理念就完全不同，它采用一組多個光發(fā)射元件組成“陣列”，通過精確調節(jié)每個發(fā)射單元發(fā)出的光波相位差來控制光束的方向。這種原理與雷達領域的相控陣雷達類似，只不過在激光雷達里處理的是更高頻率的光波，而不是射頻波。

　　更通俗理解下這個方案，就是將一排排相干激光單元通過電信號協(xié)同工作，通過調整各個單元發(fā)出的光波疊加的相位關系，就可以形成一個指向性很強的光束，這一過程不需要任何機械動作。只要改變控制信號，就能讓這個光束指向不同方向，達到掃描的目的。

　　OPA方案由于沒有機械運動部件，可靠性高、壽命長;掃描速度由于僅受電子信號控制限制，因此可以非?？?。此外，這一方案控制精度高，可以實現(xiàn)非常細致的點云分辨率。

　　但是在OPA的方案中，光波的波長極短(一般在1微米左右)，要讓相控陣單元有效工作，它們的尺寸必須非常小，甚至要控制在波長的一半以內，這對制造工藝提出了極高的要求。因此想讓其規(guī)?；a(chǎn)面臨一定的難度。

　　OPA在實現(xiàn)大視場(FieldofView)時還容易產(chǎn)生所謂的旁瓣問題，即除了主束以外會有能量泄露到其他方向，這會影響掃描質量。如何同時提升視場和點云密度，是當前技術攻關的重要方向之一。

　　2)Flash LiDAR：像照相機一樣

　　Flash LiDAR的工作方式更接近相機拍照。系統(tǒng)在一個極短的時間內同時發(fā)出一束覆蓋整個視場的寬角激光脈沖，而不是把激光聚焦成一條細束再一行一行地掃過去。激光照射到場景中的物體后，反射光會從不同方向返回，接收端不再依賴單點探測器，而是使用一個二維探測器陣列，讓陣列中的每一個像素分別對應視場中的一個方向。這樣一來，每個像素都能獨立記錄該方向上反射光的飛行時間和信號強度，從而直接得到一整幅深度圖。

　　正因為發(fā)射和接收都是“同時完成”的，F(xiàn)lash LiDAR和傳統(tǒng)機械掃描式激光雷達在工作邏輯上也有著本質區(qū)別。機械掃描需要通過轉動或擺動光束，逐點、逐線地完成空間采樣，而Flash LiDAR則是在一次發(fā)射中完成整個視場的感知，沒有掃描過程，也不存在掃描順序的問題。

　　這種一次性成像的方式，使得它的結構極其簡單，沒有任何掃描部件;因為同時完成整個視野的探測，所以它的刷新速度非?？?對于短距離應用和高動態(tài)場合，它能提供非常低延遲的感知數(shù)據(jù)。

　　因為Flash LiDAR是在同一時間把激光鋪滿整個視場，激光能量不再集中在某一個方向，而是被均攤到所有角度上。在車規(guī)安全標準的限制下，單次發(fā)射的總能量不能無限提高，這就導致分配到每個方向的有效能量本身就不高，反射回來的信號自然也會變弱。結果就是，F(xiàn)lash LiDAR在遠距離探測和精細分辨率上會受到限制。相比之下，傳統(tǒng)機械式激光雷達，或者采用OPA的固態(tài)方案，可以把激光能量集中到某一個方向逐點掃描，在同樣的安全約束下，更容易把遠處目標“打亮”，因此在遠距探測能力上更有優(yōu)勢。

　　為了彌補這種先天的能量分散問題，F(xiàn)lash LiDAR在接收端發(fā)展出了不同的技術實現(xiàn)路徑。其中一種思路是使用靈敏度極高的SPAD單光子雪崩二極管陣列，讓系統(tǒng)具備單光子級別的探測能力，即使返回信號非常微弱，也有機會被捕捉到，這對低信噪比環(huán)境下的感知很有幫助。

　　另一種思路則是基于CMOS傳感器陣列，結合飛行時間測距邏輯來獲取深度信息，這類方案在工藝成熟度和成本控制上更有優(yōu)勢，但在極遠距離和弱信號場景下，對系統(tǒng)設計和算法提出了更高要求。

　　全固態(tài)激光雷達的發(fā)展現(xiàn)狀

　　2025年，固態(tài)激光雷達已從早期概念驗證和小批量試產(chǎn)階段逐步進入更廣泛的工程應用階段。很多傳感器廠商和汽車主機廠都已推出不同形式的固態(tài)激光雷達產(chǎn)品，部分產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了量產(chǎn)并裝配在量產(chǎn)車型上。

　　但是，目前市場上的激光雷達產(chǎn)品大多屬于混合固態(tài)或以MEMS微振鏡為代表的半固態(tài)方案，真正的OPA和Flash純固態(tài)方案在性能穩(wěn)定性、量產(chǎn)能力方面仍難以達到要求。盡管如此，行業(yè)對OPA的全固態(tài)激光雷達前景依然高度關注，因為它代表著未來有望實現(xiàn)的芯片級激光雷達，這種形式的LiDAR如果成熟下來，將真正實現(xiàn)低成本、高可靠和大規(guī)模量產(chǎn)的目標。