[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號]最近有一位小伙伴在評論區(qū)留言，讓我聊聊全固態(tài)激光雷達的發(fā)展。其實全固態(tài)激光雷達作為近幾年激光雷達技術演進中的一個重要方向，確實被反復提起。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。

圖片源自：網(wǎng)絡

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。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、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。

光控相控陣掃描基本原理示意圖，圖片源自：網(wǎng)絡

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，因此可以非常快。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)模化生產面臨一定的難度。

OPA在實現(xiàn)大視場（FieldofView）時還容易產生所謂的旁瓣問題，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常快；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)激光雷達產品，部分產品已經(jīng)實現(xiàn)了量產并裝配在量產車型上。

圖片源自：網(wǎng)絡

但是，目前市場上的激光雷達產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)模量產的目標。

最后的話

全固態(tài)激光雷達是一種真正意義上把激光雷達系統(tǒng)從機械結構中解放出來的新型傳感器。它無需可動部件，通過電子控制和光學設計實現(xiàn)環(huán)境掃描，具有體積小、可靠性高、易量產的顯著優(yōu)勢。

目前，雖然目前全固態(tài)激光雷達尚未全面取代機械式產品，但它在量產應用、成本下降和性能優(yōu)化方面優(yōu)勢明顯。未來隨著制造工藝成熟、集成度提升及算法優(yōu)化，全固態(tài)LiDAR或將成為自動駕駛等領域最核心的三維感知組件之一。

審核編輯 黃宇