光学相控阵LiDAR介绍

光学相控阵的工作原理与上面的比喻类似，它的每一个单元都可以对所通过的光（人）的速度进行控制。当一束光被分成许多个小单元（人），每小单元的光束（人）都通过一个光学相控阵单元，并被相控阵单元对其速度进行严格控制。当每个小单元的光束以同样的时间通过光学相控阵后，其速度恢复到进入光学相控阵前的速度，但由于每个小单元的光束所走过的光程（路程）不一样，通过光学相控阵后合成的波阵面（上面比喻中的阵列面）将发生明显变化，从而使得光束的指向发生偏转，这就是光学相控阵的基本工作原理。

上面举的是一维扫描的例子，如果我们把光学相控阵做成向二维阵列（比如下面介绍的Quanergy的方案），我们就可以实现二维的扫描。光学相控阵一般都是通过电信号对其相位进行严格的控制实现光束指向扫描，因此也可以称为电子扫描技术。

在2016年美国CES展上，Quanergy展出的“固态”SolidState激光雷达，是光学相控阵激光雷达，其满足了激光雷达小型化的大趋势，整个尺寸只有90mm x60mm x60mm。用到的核心的技术有光学相控阵列Optical Phased Array、光学集成电路Photonic IC、远场辐射方向图Far FieldRadiation Pattern。这款产品完全没有机械固件，可以称得上的纯固态激光雷达了。下图是Quanergy公开的Solid State LiDAR S3光学相控阵扫描雷达工作原理示意图。可以看出S3采用的是光学相控阵技术实现激光扫描，其原理与相控阵雷达一样，通过调节发射阵列中每个发射单元的相位差来改变激光的出射角度。

考虑到Quanergy公司的CEO兼联合创始人Louay Eldada的技术背景和Quanergy对外发布的S3工作原理，如上图所示，Quanergy应该是采用了光通信中成熟的平面光波导技术制作光学相控阵扫描器件。为了获得良好的相干合成效果，要求波导结构的尺寸非常微小，仅有几百纳米量级，可以承受通过的激光功率有限。这与水管越小，可容纳的水流量越小一个道理。如果采用脉冲测距体制，将导致信噪比不足，探测距离有限，必须采用其他手段来弥补，譬如多脉冲、脉冲编码或连续波调制等来提高信噪比。

另外，我们常说激光雷达的抗干扰能力强，那是因为传统机械扫描的激光雷达接收视场特别小，外界的直接照射干扰信号很难对准并进入激光雷达的接收视场。而且，激光雷达能接收到的背景光噪声功率是与接收视场成正比的，视场越大，背景光噪声功率越高。Quanergy的光学相控阵扫描仅能对发射激光束指向进行控制，不能实现接收光路进行同步扫描，这就要求S3激光雷达必须采用一个大视场的接收光学系统来接收激光的回波信号。如果扫描角度范围为±60°，那么接收视场的角度也必须达到±60°，这会造成信噪比的下降，而且容易受到其他同类系统发射的激光信号和太阳直射的干扰。

综合来说，与传统机械扫描技术相比，光学相控阵扫描技术有三大优势：

扫描速度快：光学相控阵的扫描速度取决于所用材料的电子学特性和器件的结构，一般都可以达到MHz量级以上。