一文让你明白什么是面阵固态激光雷达（Laser Detection and Rangin）

文章主要从激光雷达的概念，分类，原理，应用场景等方面进行阐述，并着重讲解什么是固态激光雷达。 激光雷达是激光，大气光学，雷达，光机电一体化和电算等相关技术结合的产物，这十多年来发展迅速，激光雷达由于工作波长短，具有极高的方向性和角度分辨率，可实现各种高精度的远距离测量，其体积小，重量轻，功耗低，在加上空间上也没有大气衰减和散射的问题，因此在太空飞行器（如飞船，卫星等）和军事领域有很好的应用场景，随着技术的发展和成本的降低，已经开始从军用转民用，如无人机的发展就是最好的例子。 下面让我们来具体认识一下什么是激光雷达 激光雷达的定义： 以发射激光束探测目标的位置，速度等特征量的雷达系统。工作在红外波和可见波段的，以激光为工作光束的雷达称之为激光雷达。主要采用回波分析法，基本上由激光发射器，接收器与相关的处理电路构成。根据发射和接收过程的时间，在乘以光速即可计算出相关距离。 激光雷达的特点：由于采用激光光束，自然带有激光所具有的优良特点。 （1） 分辨率高：它测量角度大，速度分辨率高，可以测量很长的距离。这意味着可以利用距离–多谱勒成像技术来获得目标的清晰图像。分辨率高,是激光雷达的最显著的优点,大多数的应用都是基础这个特点。 （2） 隐蔽性好，抗干扰能力比较强：由于激光具备直线性好，方向性好的优良特点，光束很窄，干扰信号进入接收器的概率极低，能够适应各种苛刻的使用环境。 （3） 低空探测性好：由于是采用回波分析的原理，只有照射到的目标才会发生反射，不需要考虑地物回波等因素的影响，这比一般的微波雷达强了许多，基本上可以实现零高度工作。 激光雷达的分类： 目前激光雷达主要分为机械式激光雷达和固态激光雷达。 机械式激光雷达：它光束扫描主要是利用一些机械部件的旋转来实现，具有扫描角度大的优点，但是缺点主要就是扫描频率较低，装配比较复杂。大家都见过电影里面的一些场景，军事使用不断旋转类似于一个大锅的那种，就是在进行机械式旋转扫描。 固态激光雷达：目前大部分采用微机电，面阵闪光技术和光控相阵的技术原理。 我们知道了激光雷达的一些概念和特点，那固态激光雷达又是什么呢？ 这是近些年来新技术发展的一个名词。如果从理论上来说，它是指没有移动部件的雷达。其中利用的主要技术原理就是光控相阵及Flash。

但是也有一些非完全旋转的激光雷达，我们也称它为“固态激光雷达”，它们及具备了固态激光雷达的一些优点，同时也增加了一些移动部件。

固态激光雷达具体工作原理：固态激光雷达主要是依靠波的反射或接收来探测目标的特性，大多源自三维图像传感器的研究，实际源自红外焦平面成像仪，焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。

其中主要的技术方案主有三种，MEMS（微机电系统），Flash，光学相控阵技术。 由于光学相控阵技术是目前应用较多的新型技术，我们着重讲解，MEMS和FLash将粗略带过。 MESM（微机电系统）方案 它也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。是随着半导体技术的基础上发展起来的，它是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。 固态激光雷达中主要是通过MEMS微小镜头来做一维扫描，整机360°水平旋转完成扫描。而光源则采用半导体激光器，严谨来看，MEMS不能算做是纯固态激光雷达因为在MEMS方案中它也并没有完全消除机械的使用，而是将机械微型化了，扫描单元变成了MEMS微镜。 Flash方案 它在激光雷达中的主要的原理就是快闪。它与其他两个方案不同，它不会像它们那样去扫描物体，而是在较短时间内发射出一大片覆盖探测区域，在使用高灵敏度的接收器进行接收，从而实现对周围环境的绘制。 OPA（光学相控技术）方案 首先这个名称是源自于微波相控技术，但是它与微波相控又不同，是一种新型的光束指向控制技术，称其为光学相控阵 光学相控阵：它是由若干个相控阵单元组成，每个相控阵单元都以光电材料最为工作物质。利用光点材料电控双折射特性，通过改变加载在不同单元的电压，进而可以改变通过不同单元光波的光学特性，如相位，光强等等。实现对每个单元光波的独立控制，通过调节从各个方向相控单元辐射出的光波之间的相位关系，在设定方向上产生相互加强的干涉，干涉的结果就是在该方向上产生一束高强度光，而其他方向上从各个相控单元射出的光彼此抵消，从而实现光束的偏转。 该图片为已封装好的32单元的光学控阵 大家听完它光学控阵的原理可能还是一头雾水，我现在来给大家补补课 上面看过很多军事电影的人应该都知道，现在的军用雷达基本上都不用旋转发射器，而都采用相控雷达，无论是速度还是精确度都有大幅度的提高。

不说那么到，下面我们开始进行补课。 我们知道，光是一种波。是波就具有波的特性–波的衍射特性。 波的衍射是指在媒质中由于有障碍物或其他的不连续性而引起波改变传播方向的现象。如障碍物的尺寸远大于波长，则衍射不明显;如障碍物的尺寸与波长相近时，,则衍射最明显;如障碍物的尺寸远小于波长时，虽然还有衍射,但是在障碍物背部边缘附近将形成一个没有波的区域(即声影区)。 如单缝衍射现象如下，其主级大明纹具有绝大多数的能量 同理，光也有相互干涉的特性。当光通过光栅后，不同单缝衍射的明纹会在相干处叠加，入射的角度不同，那得到的中央明纹的位置也不同。 平行光入射光栅示意图如下： 根据光栅公式，可以得到相位差关系 这个公式就是相控阵技术的根源，它通过电信号控制邻近的发射光线的相位差，便能改变发射角度。许多这样的发射单元就会组成一个阵列，通过控制发射单元我们也就能实现2D,3D的扫描，形成与机械式选装一样的效果了。

固态激光雷达的优势 1.结构比较简单，尺寸小，无旋转部件。 2.扫描精度很高，它的精度取决于电信号的精度 3.易于控制。在允许的角度范围内可以做到任意指向，可以在重点区域进行高密度的扫描 4.扫描频率快：可以达到MHZ级别

固态激光雷达的劣势 1.采集数据扫描的角度有限，需要同时使用多个固态激光雷达才能实现 2.加工难度高 3.接受面大，导致信噪比下降。

总体来看，随着科技水平，制造水平的提高，激光雷达未来将会朝微小化，固态化的方向发展。