自动驾驶的终极感知方案？OPA激光雷达有了新进展

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）自动驾驶激光雷达的路线之争，现阶段来看MEMS振镜扫描+ToF测距是最大的赢家。实际上，MEMS和机械转镜式的扫描结构也是目前唯二可以实现规模量产的，并且体积足够小，可以安装在乘用车上的激光雷达产品。
 
但未来通往纯固态激光雷达的道路上，有业内人士认为OPA（光学相控阵）扫描+FMCW测距的激光雷达会是最终的最佳方案。只是问题在于，OPA虽然从各方面来看都是扫描效率最高的形式，但截至目前还未有实用的产品落地，相比于其他的比如Flash、FMCW等实现纯固态激光雷达的技术，落地进度显然要落后一大截。
 
OPA激光雷达的新进展
 
最近丹麦技术大学研究小组两名成员Hao Hu和Yong Liu在《光学》期刊中发布了文章，介绍了一款基于芯片的新型光束控制技术。Hao Hu表示，他们的成果将为基于OPA的低成本紧凑型激光雷达奠定了基础。
 
在激光雷达中，光束控制是最关键的技术之一，目前MEMS、转镜等机械式的光束控制系统都有一些局限性，由于机械部件的存在对震动较为敏感，且扫描速度有限。基于芯片的OPA激光雷达，则可以不需要机械结构就可以实现快速精准控制光线，但由于技术原因，目前的大多OPA设备的光束质量较差，视场角也难以突破100°。
 
OPA激光雷达的原理是，通过多个激光发射单元组成发射阵列，通过调节发射阵列中各个单元的相位差，来改变激光光束的发射角度，在设定方向上产生互相加强的干涉从而实现高强度的指向光束，完成扫描。
 
一直以来，OPA激光雷达进展缓慢的一个重要原因是旁瓣效应难以解决。旁瓣效应是由于光学衍射产生的一种邻近效应。在OPA激光雷达上，光束通过OPA器件后的光束合成实际是由光波的相互干涉形成的，因此容易形成阵列干扰，令激光能量被分散，在最终出现光学伪影等问题。也正是因为这种原因，OPA视场和光束质量之间难以平衡。
 
所以这次该研究小组设计了一种新型的OPA结构，用平板光栅取代传统的OPA多个发射器。由于平板光栅中的相邻通道本身可以非常接近，可以在靠近单个发射器中进行干涉和光束形成，所以相邻通道之间的耦合在平板光栅中不会产生干扰，可以消除叠混误差。同时，研究人员还采用其他的光学技术，以降低背景噪声并减少旁瓣效应等光学伪影等。
 
在实测中，这套新型的OPA系统可以实现±70°光束转向无混叠，但也出现了一些光束衰减的情况。而通过将光源波长从1480nm调谐至1580nm来测试垂直方向上的光束控制，最终实现13.5°垂直方向的调谐范围。测试是在光束宽度为2.1°的情况下进行的，目前该研究小组还正在努力降低光束宽度，希望实现更高分辨率和更远范围内的波束控制。
 
各大厂商进展如何？
 
国外方面，Quanergy是最早进入OPA激光雷达领域的公司，2012年创立于硅谷。今年5月，Quanergy公布了其OPA激光雷达实现250米的检测距离，而15个月前这个数字是100米。据Quanergy官方介绍，其OPA技术基于CMOS工艺兼容的硅光芯片，可以实现大规模生产。但截至目前，Quanergy的S系列OPA激光雷达依然难以达到大规模量产的同时满足客户要求。除此之外，Analog Photonics、Voyant Photonics、Scantinel Photonics 等国外OPA激光雷达玩家均预计要到2025年后才实现规模量产。
 
国内也有很多激光雷达厂商以及科研机构在OPA方向进行投入，包括洛微科技、万集科技、力策科技等等。在OPA激光雷达的关键硅光芯片上，今年7月，扬州群发换热器有限公司和美国密歇根大学合作，表示经过多年研发掌握OPA 2D/3D激光雷达全新专利技术，并在国内完成多轮迭代的流片工作，其中OPA 2D激光雷达试制芯片各项技术指标均达到设计要求，即将进入产业化发展阶段。同时OPA 3D激光雷达芯片的研发也在进行中。
 
另一家在国内走得较前的OPA激光雷达公司洛微科技，在去年9月完成了第二代硅光FMCW SoC和OPA激光雷达硅光芯片的流片。前面也提到FMCW+OPA可能是激光雷达的终极形态吗，洛微科技也是在创立之初确立了采用FMCW和OPA技术的纯固态激光雷达发展方向。据洛微科技官网显示，采用了LuminScan光束控制系统的D系列纯固态激光雷达已经推出，基于自研硅光芯片，探测距离达30m，视场角120°×90°，角分辨率为0.3°×0.3°。

LT-X远距离OPA激光雷达  来源：力策科技官网

 
力策科技在2019年时表示2020年将实现OPA激光雷达完全的定型量产，而目前官网上已经出现了一款远距离OPA激光雷达，型号为LT-X。LT-X扫描视场角为60°×60°，采用了波长905nm的光源，测量距离最高可大于200m，旁瓣抑制<30db。
 
总体而言，OPA激光雷达相比与其他纯固态激光雷达，比如采用Flash、FMCW等技术的产品大规模落地进度可能要晚2-3年。但芯片化、集成度高，未来规模量产后成本较低、且具备抗干扰能力强、探测距离远、扫描频率高等优势，OPA技术未来有一统自动驾驶激光雷达产业的潜力。随着硅光芯片工艺提升、以及光束质量的进一步提高，相信OPA技术会被更多激光雷达厂商选择。