空间flash模块_空间flash模块怎么弄

棱镜、转镜、MEMS微振镜、OPA、Flash等激光雷达扫描方式原理介绍。

 

作者| 11号线人接《激光雷达（一），跌宕起伏的历史》和《激光雷达（二），激光器之争》扫描方式是激光雷达最早也是最多被拿出来讨论的话题，以至于很多人今天再听到这个话题，都有一种“想吐”的感觉，但这条技术路线之争却是最充满腥风血雨的。

激光器、探测器也存在技术路线之争，但是很少听说因为选了不同类型激光器而导致公司“家徒四壁”，也很少听说因为选了不同类型探测器而导致公司“衣不蔽体”但扫描方式就不一样，选得好的已经是主机厂的座上宾，而选得不好的，好一点可能是暂时退出车载激光雷达领域，坏一点已经直接破产倒闭。

所以扫描方式还是值得我们浓墨重彩地进行介绍按照扫描方式，激光雷达可以分为机械式、混合固态和固态三种机械式激光雷达实在没什么可说的，发射模块和接收模块在电机带动下，进行360°旋转扫描混合固态激光雷达包括三条技术路线：棱镜、转镜和MEMS微振镜。

棱镜和转镜技术路线下，发射模块和接收模块固定不动，电机只带动一面或几面“镜子”旋转MEMS微振镜技术路线更进一步，连电机也取消了，微振镜在静电、电磁、电热或压电驱动下往复运动，实现扫描固态激光雷达人如其名，就是内部没有一点机械运动部件，包括光学相控阵（Optical Phased Array，OPA）和Flash两种方案。

下文主要对激光雷达混合固态和固态两种扫描方式进行介绍一、混合固态（1）棱镜棱镜路线的代表人物，也是唯一走这一条修炼道路的激光雷达厂商是LIVOXLIVOX的名声大噪并不是因为它的母公司大疆创新在无人机领域的独霸武林，而是因为在2020年1月直接推出6499元面向自动驾驶领域的激光雷达Horizon。

LIVOX独创的非重复扫描技术，在0.1s的积分时间内，扫描覆盖率与机械旋转式64线激光雷达相当，而彼时机械旋转式64线激光雷达的平均价格还在10万元人民币左右业界哗然，质疑、嫉妒与殷羡如潮水般涌来，都想弄清楚这到底是一类什么样的神奇物种？。

LIVOX的思路也非常简单，既然成本主要花在收发模块上，那我就从减少他们数量上着手可是数量减少，怎么实现和高线束机械旋转式激光雷达一样的点云效果呢？LIVOX给出的解决方案是采用空间激光通信领域的旋转双棱镜（或称旋转双光楔）方案，如图1所示。

在此方案中，半导体激光器PLD和雪崩光电探测器APD固定，双棱镜在电机带动下进行高速旋转通过对光学参数进行特殊设计，可以产生不同角度的折射光线，从而实现视场角范围内更高线束的覆盖而随着电机转速的不同，会产生出不同的扫描图案。

图1 LIVOX激光雷达双棱镜结构激光收发模块数量减少了（2021年8月上市的小鹏P5搭载的Livox车规版激光雷达HAP只有6组收发器，但100ms积分时间里可达到与144线机械旋转式激光雷达相同的点云效果），成本相应就大幅降低。

激光收发模块固定，电机只须带动双棱镜旋转，避免了类似传统机械旋转式激光雷达的多次装调问题，量产能力也相应得到提高剩下就只有车规这一道关卡了，因为要用6组激光收发模块实现与144线机械旋转式激光雷达相同的点云效果，双棱镜在单位时间就必须玩命的转，最终导致电机转速高达6000r/min。

要知道过了车规的Scala电机转速只有600r/min电机的寿命与电机的转速成反比，高转速对轴承及油脂选择大有讲究，这需要大量的耐久试验及超高的工艺水准，这类基础工艺也是中国制造业普遍欠缺的如今三年过去了，Horizon已从公司主页介绍中消失，继任者HAP在获得小鹏P5的定点后曾盛极一时，但很快湮灭在竞争对手的铁蹄下。

2023年初，据宇多田在《一家大厂激光雷达的暂时“离场”》文章中报道：LIVOX已经决定暂时退出车载激光雷达业务线，转向“利润率倾轧没那么可怕”的工业与低速机器人等业务线我其实想不负责任的猜测一下：退场的原因不是利润率，而是棱镜这条技术路线适合不了车载领域，迟迟无法让产品达到满足主机厂要求的可靠稳定，会让研发陷入暗无天日的忙碌。

韬光养晦，我想这是明智的选择（2）转镜转镜赛道就比较热闹了，国外的厂商有Valeo、图达通，国内的有禾赛科技、镭神智能、华为等且这一技术路线是最早诞生过车规产品的路线，就是Valeo和Ibeo合作研发的Scala。

2017年量产的第一代4线Scala 1是全球首款通过车规级认证的激光雷达，同年被首发搭载在奥迪A8上2021年量产第二代16线Scala 2车规级激光雷达，同年被首发搭载在全新奔驰S级轿车上，Scala 2实物如图1-3所示。

第三代Scala 3正在研发中，预计在2024年量产转镜方案中激光雷达收发模块不动，电机带动扫描镜围绕其圆心不断旋转，从而将激光束反射至空间的一定范围，其技术创新方面与机械旋转式激光雷达类似在转镜方案中，存在一面扫描镜（一维转镜）、两面扫描镜（一纵一横，二维转镜）及多面镜等多种细分技术路线。

一维转镜方案常采用多面体反射镜，并通过小电机带动其旋转，从而将激光反射到不同的方向，此方案激光扫描线束依旧与激光雷达收发模块数量一致，仅是减少机械转动部件，比如禾赛科技的AT128二维转镜方案内部集成了两个转镜，一个多边棱镜负责横向旋转，一个负责纵向翻转，这样可以实现用一束激光实现两个方向维度上的扫描。

此方案可以用更少的激光收发模块实现相同线束扫描效果，比如图达通的Falcon多面镜通过特殊的镜面设计，可以进一步减少激光收发器数量，在集成难度和成本控制上更有优势转镜方案相比棱镜方案，电机的转速明显下降，最高只有2000r/min。

但仍存在高温耐久稳定性、视场角受限，信噪比低等问题虽然各家推出的产品都说是车规级，但五年十万公里入门要求估计还很难达到，车规也分三六九等（3）MEMS微振镜微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）微振镜本质上是一种硅基半导体元器件，其特点是内部集成了微型的可绕悬臂梁振动的反射镜，如图2所示。

图2 MEMS微振镜微振镜被上下左右四个硅悬臂梁挂着，上下短悬臂梁被称为快轴，左右长悬臂梁被称为慢轴在静电或电磁驱动下，微振镜可以在水平和垂直两个自由度围绕悬臂梁做往复运动，从而实现水平、垂直两个维度扫描。

也正是因为悬臂梁机械结构的存在，MEMS微振镜激光雷达虽然完全没有电机，但还是被划分在了混合固态之列慢轴的谐振频率通常为5~30Hz，为了使振动幅度大一些，其一般都做得比较细长，慢轴变形程度直接与水平视场角关联。

快轴的谐振频率通常大于1KHz，为了可以实现这么高的谐振频率，一般做得又粗又短，快轴变形程度直接与垂直视场角关联微振镜的谐振频率与扫描频率正相关，振动幅度与扫描角度正相关，而扫描频率和扫描角度之间负相关。

以某供应商的一款MEMS微振镜产品举例，镜面尺寸4X4.6mm，水平扫描角度为40°，垂直扫描角度为30°所以一般为了实现水平120°的视场角，多数厂家选择拼接激光器的方案，几个激光收发单元共用一组MEMS微振镜，实现大视场角扫描。

凭借运动部件少、可靠性高、扫描频率快、半导体规模化生产带来的成本较低等优势，2021年底的时候，MEMS微振镜激光雷达迎来了自己的高光时刻，国内但凡规划有量产激光雷达车型的车企，80%都选择了国内一家供应商的MEMS微振镜激光雷达产品（主要也是其他技术路线当时没有能打的对手）。

但是这条技术路线也不是完美无缺，激光雷达按照收发光路来区分，可以细分为同轴和非同轴两种方案同轴方案是指激光器发射出去的激光和探测器接收回来的激光同轴，如图3所示对于MEMS微振镜来说，一种典型技术方案是：激光器发射出激光，经过一面穿孔的反射镜，入射到微振镜上，经微振镜反射后打到被测物体后返回，会再次通过微振镜反射给穿孔的反射镜，从而被探测器接收。

图3 同轴方案同轴方案的好处显而易见，只接收原光路返回的光信号，因而具有较好抗阳光干扰能力；收发模块可集成于一处，采用单颗探测器即可，成本相对可控多个激光器拼接时，可以实现同时扫描互不干扰Innoviz，速腾聚创部分产品采用的正是这种方案，其拿下的中国主机厂定点数量，恐怕十个指头数不过来。

但是同轴方案中MEMS微振镜尺寸直接与激光雷达测距能力关联，尺寸小，接收反射回来激光能力就弱，探测距离就短；尺寸大，接收反射回来激光能力强，探测距离长为了实现更长的测距能力，激光雷达厂商普遍选择了更大尺寸的MEMS微振镜。

但从加工工艺来说，成熟工艺的硅基MEMS微振镜镜面直径1mm左右，其质量非常轻，可靠性是没问题的但是当前激光雷达中的MEMS微振镜镜面直径普遍在5mm左右，在如此“负重”下，慢轴和快轴进行高频次大幅度来回扭转，将会变得更加容易断裂，这也是为什么MEMS微振镜激光雷达理论上容易过车规，但实际上却没那么容易的原因。

非同轴方案是指激光器发射出去的激光和探测器接收回来的激光不同轴，如图4所示这意味着打到被测物体返回来的激光不用经过MEMS微振镜，而是直接进入到探测器中此种方案中，MEMS微振镜可以选用更小的尺寸，可靠性会显著提高。

图4 非同轴方案但是该方案为了提高抗阳光干扰能力，需要阵列化、性能更优的探测器，系统复杂度升高、体积较大，成本较高，一径科技的ML30s补忙激光雷达选用的就是非同轴方案温度是摆在MEMS微振镜面前另一座大山。

采用硅基半导体工艺的MEMS微振镜，其线圈都很细地密布在镜面背后，导热性较差与此同时，硅基MEMS微振镜被封闭在激光雷达的机壳里面工作中的激光雷达，其MEMS微振镜的工作温度将比环境温度高至少20°，按照车规-40℃~85℃的要求，MEMS微振镜的车规温度要求要达到-40℃~105℃。

这个对当前供应链来说确实有点困难二、固态固态激光雷达则主要有 OPA和 Flash两种主流技术路线（1）OPA光学上，对于频率（波长）相同、振动方向相同、相位差恒定的两束光，被称作相干光相干光在传输时，相互之间会产生稳定的干涉。

这种干涉，既可以是相长干涉（如图5左图），也可以是相消干涉（如图5右图）很显然，相长干涉可以让光变得更强

图5 光的干涉现象如果有多路光，在没有相位差（等相位）的情况下，发生相长干涉，光束的指向垂直于多路光的等相位面向前传播，如图6最左测图所示如果赋予各路光均匀的相位差θ，那么各路光的等相位平面也将发生偏转θ，满足等相位的光发生相长干涉，不满足等相位的光发生相消干涉，因此光束的指向也发生了角度为θ的偏转，这就是一维光学相控阵的扫描原理。

图6 光学相控阵一维扫描原理如果将这样的发光单元组成二维的光束阵列，那么便可以实现二维光学相控阵的扫描OPA激光雷达运用的就是光的相干原理，将若干激光发射单元组成发射阵列，通过改变加在不同发射单元上的电压，改变不同发射单元发射光波相位，在设定方向上产生互相加强的相长干涉，从而合成具有特定方向、高强度的激光主光束。

而其它方向上从各个发射单元射出的光波产生相消干涉，辐射强度接近于零OPA激光雷达的一种典型结构如图7所示，激光光源经过分光器后进入光波导阵列，在光波导上通过外加电压，利用光波导间的光波相位差实现光束的扫描。

图7 OPA激光雷达的一种典型结构OPA激光雷达是真正的纯固态激光雷达，所以将在可靠性、稳定性、成本、集成度、工艺上具有巨大优势此外，OPA激光雷达还具有几个与众不同的优点：（1）可以实现较高的扫描速度，达到MHz量级以上；。

（2）扫描精度较高，可以做到千分之一度量级以上；（3）可控性很好，在允许的角度范围内可以做到任意指向，所以可以任意设计感兴趣（Region of Interest，ROI）区域但是OPA激光雷达在封神的道路上还存在一些阻碍：。

（1）旁瓣效应OPA激光雷达形成的主光束称为主瓣，在主瓣旁边，由于阵列干扰，还容易形成旁瓣，如图8所示旁瓣一方面会分散主瓣能量，影响探测距离另一方面为了区分出主瓣，通常将旁瓣遮掉，而这又将影响视场角

图8 旁瓣示意图（2）工艺要求高、加工难度大光学相控阵要求阵列单元尺寸必须不大于半个波长，对于905nm波长激光雷达来说，这就意味着阵列单元的尺寸必须不大于500nm而且阵列数越多，阵列单元的尺寸越小，这就对加工精度要求更高；。

（3）扫描角度有限目前相位调节只能达到±60°左右OPA激光雷达的代表人物是美国的Quanergy，公司在2016年就公布了其OPA激光雷达产品，不过如今已经破产（2）Flash前文介绍的几种扫描方式激光雷达，无论是转镜、MEMS还是OPA类型，发射模块发射出来的激光都是线状的，需要通过扫描模块的往复运动（分机械运动和非机械运动）把线变成面打在被测物体表面，因此扫描模块是必须的。

但是Flash激光雷达人如其名，采用的是快闪的非扫描方式，通过在短时间直接发射出一大片激光脉冲（面阵光），再通过高度灵敏的探测器接收，完成被测物体三维图像的构建不严谨点比喻：Flash激光雷达就是一个会自己发光的摄像头。

这个时候再拿出禾赛科技招股书中的那张ToF激光雷达系统图，如图9所示，扫描模块部分的虚线就不会显得那么突兀了，扫描模块后括号里的若有就可以合理解释了而Flash激光雷达就是没有扫描模块，只有发射模块和接收模块。

图9 ToF激光雷达系统图因VCSEL比EEL具备更大的发光面积，视场角可以做得比较大，更符合泛光成像的特点，因此Flash激光雷达多选用VCSEL作为激光器；EEL也不是不可以，但需要设计复杂的光学系统去扩散EEL发出来的激光，因此很少使用。

但是VCSEL功率密度低的缺陷，成为限制Flash激光雷达探测距离提升的主要瓶颈这也是为什么当前发布的Flash激光雷达产品多以短距为主，但随着多结VCSEL激光器技术的突破，使用VCSEL开发长距激光雷达产品将成为可能。

当功率密度低遇上泛光成像，从被测物体返回来来的功率密度将更低，而探测器端也被迫选择了信噪比更高的探测器SPAD除了激光器和探测器，Flash激光雷达的光学系统和其他类型激光雷达也有所不同其他类型激光雷达发射光学系统通过对激光器发射出来的激光进行准直和整形，来使得激光发散角减小且符合使用要求的形状，接收光学系统通过收集反射后的光能量，并将其汇聚到探测器的光敏面上，以提高探测距离。

而Flash激光雷达要求发射出去的激光光束尽可能均匀地在整个视场角内扩散，因此不需要准直单，二是需要光束扩散器，控制发射激光视场角从而使变得均匀Flash激光雷达接收光学系统相比于其他种类激光雷达需要具备“大相对孔径”和“照度均匀”的特点，但是三种类型激光雷达所用光学元器件没有太大差异。

接收光学系统的“接收镜头组”由多个球面和非球面透镜组成，多个透镜会依次改变光束的视场角直至达到设计的HFOV和VFOV说起Flash激光雷达厂商，大家首先想到的应该是难兄难弟Ibeo和Ouster，但最早开始做Flash激光雷达的的确是大陆集团（2016年3月收购Flash激光雷达公司Advanced Scientific Concepts后获得此项魔法），只不过参数太过朴素罢了。

2017年大陆集团发布第一款Flash激光雷达SRL121，905nm波长，27°x11°的视场角，10m的探测能力，确实没什么姿色2019年大陆集团发布第二款HFL110，1064nm，120°x30°视场角，22m的探测能力，姿色见涨也使其获得丰田氢燃料电池汽车Mirai和雷克萨斯LS500的青睐，用作侧向补盲。

第一篇文章中介绍已破产的Ibeo，2019年发布的距、短距和近距三款固态激光雷达产品，采用的正是Flash技术路线与Ibeo齐名，并与Velodyne已合并的另一家国外激光雷达企业Ouster，在2021年也发布了Flash激光雷达，同样包括短、中、长三款，里面将使用自研的SPAD探测器芯片，并计划在2025年量产上车。

2022年5月13日，亮道智能面向中国市场发布自研的纯固态Flash激光雷达——LDSense Satellite。部分已发布Flash激光雷达参数汇总如下表1。表1 部分Flash激光雷达参数

参考资料：【1】3分钟了解光学相控阵https://zhuanlan.zhihu.com/p/77686180【2】技术科普：为什么硅基MEMS激光雷达无法用作汽车主雷达https://mp.weixin.qq.com/s/ZbL6MRMgLaREnleH6KSGSQ

【3】Flash激光雷达的五个核心问题-申万宏源[蒲梦洁,刘洋,杨海燕]-20220705

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