激光雷达技术的原理、分类及发展趋势解析

    激光雷达（Light Detectionand Ranging，LiDAR）作为一种通过发射波束并接收目标反射回波，实现目标距离与表面轮廓探测的关键技术，凭借其相较于传统毫米波雷达更短的工作波长，具备更高分辨率、更远探测距离及更强抗干扰能力的核心优势，已在自动驾驶、遥感测量、智能仓储等多个领域获得广泛关注与应用。光学扫描器作为激光雷达系统的核心组件，直接决定了系统的整体性能与运行可靠性，其技术演进也主导了激光雷达的发展方向。本文将围绕激光雷达的技术分类、核心原理及未来趋势展开系统阐述。

    一、激光雷达技术分类（基于光学扫描器类型）

    根据光学扫描器的技术形态差异，激光雷达主要分为机械式、半固态式及全固态式三大类，各类技术特点与性能表现存在显著区别：

    （一）机械式激光雷达

    作为传统技术方案，机械式激光雷达依赖机械转动结构实现波束扫描。然而，机械转动特性不仅限制了扫描速度，还降低了系统可靠性，同时其体积庞大、测量精度不足，探测性能严重受制于器件转动惯性及使用寿命，已难以满足自动驾驶等领域对高分辨率、高稳定性的应用需求。

    （二）半固态式激光雷达（微机电系统MEMS型）

    半固态式激光雷达通过将运动部件小型化甚至芯片化，取消了传统机械式激光雷达中马达、多棱镜等笨重的机械运动组件，在大幅缩减系统尺寸的同时，有效提升了运行可靠性。但需注意的是，即便采用芯片化的MEMS结构，其仍未脱离运动部件的制约，受运动部件惯性引发的非线性扫描、机械可靠性局限及复杂光机结构影响，在扫描速度、抗震性能及视场范围等方面仍面临诸多挑战。

    （三）全固态式激光雷达

    全固态式激光雷达因无机械运动部件，成为当前技术研发的核心方向，主要包括焦平面阵列（FocalPlaneArray，FPA）型与光学相控阵（OpticalPhasedArray，OPA）型两类：

    1.FPA型固态激光雷达：以垂直腔面发射激光器（VerticalCavitySurfaceEmittingLaser，VCSEL）阵列芯片作为光源，搭配二维单光子雪崩光电二极管（SinglePhotonAvalancheDiode，SPAD）阵列芯片作为接收装置，实现全固态架构设计。但受VCSEL阵列单元发射功率及芯片规模的限制，其探测范围与成像分辨率难以进一步提升。

    2.OPA型固态激光雷达：基于集成光子回路（PhotonicsIntegratedCircuit，PIC）平台制造，通过调控天线阵元间的相位延迟，实现任意光束指向。相较于MEMS激光雷达，OPA激光雷达无任何运动部件，光束指向仅取决于当前相位配置模式，与上一时刻工作状态无关，实现了无惯性的光束扫描及灵活的指向控制；相较于FPA型激光雷达，其具备更优的光束指向性与更高分辨率，被业界普遍认为是未来激光雷达的最优解决方案。根据行业分析机构预测，OPA固态式激光雷达有望在2030年之后逐步取代现有的MEMS和Flash型激光雷达，成为车载激光雷达的主流技术方案。

    值得关注的是，OPA激光雷达基于绝缘体上硅（SilicononInsulator，SOI）集成光子平台加工制作，该平台具有损耗低、器件集成紧凑、器件种类丰富的显著优势，可实现激光器、调制器、光电探测器及各类无源器件的单片集成互连。同时，SOI平台制作工艺与成熟的互补金属氧化物半导体（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，CMOS）加工工艺高度兼容，为硅基OPA芯片的规模化制造提供了先进的技术支撑与完善的工艺生态。当前，全球已有多家硅光芯片代工厂可提供流片服务，结合先进的光电混合封装技术与异质异构集成技术，全芯片化集成激光雷达的实现已具备坚实基础。

    二、激光雷达核心技术原理

    （一）光学相控阵（OPA）扫描技术

    OPA的技术原理与微波相控阵一致，仅将信息载体替换为光波。其核心构成是一系列周期分布或按特定规律分布的光学天线，通过片上相位调控单元调制相控阵的波前形貌，从而实现固态光束扫描。在初始状态下，各阵元间相位差为零，相控阵波前平行于阵列平面，光束指向角度为0°；当通过单独调控每个阵元相位，使周期性分布的阵元间形成稳定相位差φ时，波前平面发生倾斜，光束将指向θ方向，完成定向扫描。

    （二）夫琅禾费衍射与OPA波束成形关联

    光学相控阵的波束成形原理与夫琅禾费衍射具有高度相似性。夫琅禾费衍射是指在光学领域中，距离狭缝较远处形成的衍射图样，或通过透镜在其焦平面上形成的衍射图样（即远场衍射图样）。单缝衍射中，光垂直狭缝入射，其衍射效果与狭缝宽度、衍射角度相关；多缝衍射则呈现更为复杂的干涉叠加特性，二者共同为OPA波束成形的复振幅叠加模型提供了理论基础。

    （三）激光探测技术类型及特性

    激光雷达的测量方式主要分为直接测量飞行时间（directTimeofFlight，dToF）法、间接测量飞行时间（indirectTimeofFlight，iToF）法及相干测量法（调频连续波FMCW）三类，各类技术原理与性能特点如下：

    1.dToF法：基于窄脉冲激光，通过直接测量发射脉冲与接收脉冲的飞行时间差Δt，结合公式R=Δtc/2（其中c为光速）计算目标距离。其距离分辨率取决于时间数字转换器（Time-to-DigitalConverter，TDC）的时间分辨率，且为实现远距离测量，需采用数十瓦特功率的脉冲激光，对发射部件的瞬时高功率承载能力提出了较高要求。

    2.iToF法：基于幅度调制的连续光（Amplitude-modulatedContinuousWave，AMCW），如正弦波调制，接收装置通过检测反射波形与发射波形的相位差Δφ求解目标距离。由于采用连续光发射，其光功率较低，导致测量范围受到明显限制。

    3.FMCW相干测量法：采用线性频率调制连续光（Frequency-modulatedContinuousWave，FMCW），通过测量回波信号与本地信号的拍频实现目标距离与径向速度的同步测量。该技术具备三大核心优势：一是相干检测特性使其仅响应与本地信号相干的信号，不受环境光及其他激光雷达系统干扰，抗干扰能力突出；二是可通过接收光的多普勒频移直接测量目标径向速度，实现4D传感；三是测量分辨率取决于频率调制带宽，对探测器响应速度要求较低，且发射功率仅需几毫瓦即可实现远距离测量，更适配光电子集成芯片的非线性效应限制。此外，FMCW方案在接收装置方面更具兼容性，1550nm波段铟镓砷雪崩光电探测器难以集成于SOI平台的问题可通过相干探测技术规避，目前SOI平台上集成的锗硅光电二极管已实现超过200m的相干探测，且FMCW激光光源的片上混合集成及片上相干接收机均已通过技术验证，使其成为当前实现光电子集成芯片固态激光雷达的最优探测方案。

    （四）FMCW测距与测速原理

    1.测距原理：FMCW测距技术本质上是基于激光干涉的测量技术，其光路结构类似于迈克尔逊干涉仪与马赫曾德尔干涉仪，但采用频率线性调制的光源（光波频率在时间域内被调制为锯齿波或三角波）。调频光源发射的连续光信号经耦合器分为本地信号光与发射信号光，发射信号光经目标反射后由接收装置接收，回波信号与本地信号混合后形成合波信号I(t)，该信号中的差频交流成分包含目标距离信息。由于激光的相干性，仅同波列的差频信号保持稳定，使得FMCW探测方法具备天然的抗干扰能力。其测量分辨率主要取决于光源的调制带宽，调制带宽越大，距离分辨率越高。

    2.测速原理：当目标物体相对于雷达系统运动时，受多普勒频移效应影响，反射信号的频率会发生变化，导致上扫频拍频信号与下扫频拍频信号出现分离，通过对该频率分离特性的分析，可实现目标物体径向速度的精准测量。

    三、技术发展结论与展望

    硅基OPA芯片凭借其灵活快速的光束转向能力，以及与现有CMOS集成电路工艺的良好兼容性，已成为激光雷达技术研发的核心方向。近年来，围绕硅基OPA芯片的性能优化，已有大量研究成果发表，为技术落地奠定了坚实的理论与实践基础。随着光电子集成芯片技术的持续迭代，未来有望实现小型化、高集成度的固态光束扫描器，进一步降低激光雷达系统成本，推动OPA固态激光雷达在自动驾驶等领域的规模化应用与产业化落地，为相关行业的技术升级与高质量发展提供核心支撑。