硅基片上激光雷达的测距原理

硅基光电子技术的发展可以将激光雷达系统发射模块和接收模块中分立的有源和无源器件集成在芯片上，使激光雷达体积更小、稳定性更强、成本更低，推动激光雷达在自动驾驶等领域的应用。

据麦姆斯咨询报道，针对该领域发展概况，西南技术物理研究所研究陈孝林团队进行了综述分析，包括激光雷达的基本概念和常见激光雷达的测距原理，分析了常见硅基片上激光雷达系统的扫描方案，并讨论了硅基片上激光雷达当前面临的挑战和发展方向。相关研究内容以“硅基片上激光雷达技术综述”为题发表在《激光与光电子学进展》期刊上。

激光雷达基本概念

激光波长

综合考虑大气窗口、人眼安全以及可选用的激光器和光电探测器，激光雷达使用的波长通常为0.8~1.55 μm，对应使用的激光器和探测器类型如表1所示。由于车载激光雷达工作时可能面临的环境温度具有很大的变化范围，因此当系统中采用滤光片抑制背景光干扰时，激光器的输出波长在温度影响下发生变化时应始终保持在滤光片的通带内，这也是在选择光源时需要考虑的问题。

表1 激光雷达波长对应的激光器和探测器类型

当前激光雷达的主流波长是905 nm和1550 nm。脉冲激光雷达采用905 nm激光器，主要优点是可以采用较为便宜的硅基探测器，并且905 nm相比1550 nm亲水性较弱，光损失更小。但由于硅材料的透明窗口，它不能用在硅光子系统上。因为905 nm激光可以穿透人眼玻璃体到达敏感的视网膜，为避免视网膜损伤，它的峰值功率受到限制。1550 nm适用于长距离连续波激光雷达系统，由于光在人眼的前半部分被吸收，不会危害视网膜，激光出射功率可以更大。这一波长通常用于通信设备，具有丰富的技术储备，并且可以以低成本获得连续波激光源。

探测距离

探测距离指激光雷达能发现目标的最大距离，主要受到激光信号发射功率的制约。对于脉冲激光雷达，探测距离还与信号的重复周期T有关，因为只有当回波信号在时间T内返回接收系统时才可以解算出正确的目标距离信息，而超出这一时间段返回的回波信号则因为与后续回波无法区分而导致距离模糊。对于调频连续波（FMCW）激光雷达，探测距离也受到激光线宽Δν的影响。Δν越窄，激光信号的相干长度Lc就越长，而对于相干长度以外的目标，其回波信噪比会大大降低而难以被系统识别。此参数一般由激光雷达对于10%低反射率目标物的最远探测距离得到，实际应用中由于环境和目标表面情况的变化，数值并不是绝对的。

视场角

视场角（FOV）指激光雷达可以探测到的区域范围，单位通常以°表示。对于车载环境应用，激光雷达视场角必须包括水平视场角（HFOV）和垂直视场角（VFOV），视场角越大说明激光雷达对空间的角度覆盖范围越广，对周围环境的感知范围越大。

测量精度和测量分辨率

测量精度是精确度与准确度的结合。精确度指激光雷达在同一条件下多次测量得到的距离值的一致程度，而准确度指激光雷达测得的距离分布的均值与真实距离的接近程度，二者分别受测量过程中的随机误差和系统误差影响，如图1所示。其中，距离测量的准确度主要受光信号产生和测量系统影响，角度测量的准确度则主要受发射端激光转向扫描的准确性影响。

图1 激光雷达精确度、准确度

测量分辨率具体包括距离分辨率和角分辨率。距离分辨率指激光雷达单次测量中目标能被区分的最小距离。对于脉冲激光雷达，脉冲宽度越窄则距离分辨率越高；对于FMCW激光雷达，距离分辨率与调制带宽成反比，并受调频线性度影响。角分辨率指激光雷达单次测量中目标能被区分的最小角度，增加发射孔径是提高角分辨率的有效手段。

硅基片上激光雷达的测距原理

脉冲飞行时间法

脉冲飞行时间法（TOF）采用直接探测方式，通过测量激光信号从发出经目标反射到被探测系统采集的时间实现目标距离的测量。脉冲激光雷达的测距原理和系统设计都比较简单，如图2所示。

图2 脉冲式激光雷达工作原理

脉冲激光雷达存在模糊距离，因为回波信号相对于发射信号是否偏移一个或多个周期存在着不确定性。此外，由于发射机到接收机的链路上光脉冲能量存在散射损耗，因此信噪比也是限制脉冲激光雷达探测范围的主要因素。为了提高作用距离，需要增加脉冲发射功率，对于自动驾驶应用，需要考虑人眼安全功率极限。一种方法是使用脉冲串来降低单个脉冲所需的高功率，通过积分并平均接收的功率来提高信噪比和精度。尽管存在这些限制，脉冲激光雷达简单的探测原理和实现方式使其具有强大的竞争力。

调幅连续波测距法

调幅连续波（AMCW）测距法也称间接飞行时间法。在调幅连续波激光雷达中，激光出射之前进行了幅度调制，调制周期大于往返飞行时间，对回波信号和出射信号进行比较。对于调幅连续波测量方法，距离分辨率由测距信号频率和相位计分辨率共同决定，距离分辨率随着调幅信号频率增加而增加。与脉冲激光雷达一样，调幅连续波激光雷达的回波信号相位经过2π 相移后开始重复，为避免多解问题，测距范围会相应减小。一种解决方法是选取一个调制频率高的调制光波作为基本测尺，再引入一个或多个调制频率较低的调制光波作为辅助测尺，综合每个测尺的测量结果以获得精确的测量值。

随机调制连续波测距法

随机调制连续波（RMCW）测距法将伪随机比特序列（PRBS）调制到出射激光的幅度或相位上，通过使用匹配滤波器等方式计算接收到的返回激光信号与PRBS的原始模板之间的相关性来获得接收光的飞行时间，如图3所示。由于PRBS只与自身相关，因此RMCW激光雷达对阳光、灯光和其他激光雷达的光等不敏感。然而，此技术对相对速度、激光相位噪声和散斑具有敏感性，这是较大的技术挑战。在激光雷达应用领域，澳大利亚初创激光雷达公司Baraja是RMCW技术的典型代表，该公司采用RMCW技术结合独特的棱镜色散光谱扫描技术研制出型号为Spectrum HD的车载级雷达。

图3 RMCW激光雷达系统示意图

调频连续波激光测距法

FMCW激光雷达采用频率随时间周期性变化的调制信号进行探测，返回的光信号与本振光信号相干，根据混频产生的中频信号的频率可以测量目标物的距离，它的信号调制形式有三角波、锯齿波、正弦波等。其中，正弦波调制信号检测物体时需要调节信号频偏，因此大多应用于只有一个探测目标的情况，对于自动驾驶应用中对多个目标的探测需求，一般采用三角波或者锯齿波。三角波可以同时得到物体的距离和速度信息，锯齿波则主要用来测量物体的距离。对于三角波探测，当目标运动时，信号发生多普勒频移，反射信号和本振信号之间的频率差在线性调频的上升段和下降段具有不同的拍频频率，如图4所示。

图4 FMCW激光雷达测量原理

与脉冲测距法相比，FMCW测距具有许多优势。第一，它采用相干探测，不受阳光、城市人造光及附近的其他激光雷达系统的干扰，提高了信噪比。第二，它可以通过检测信号的多普勒频移来直接获取目标的运动速度。第三，它的探测精度取决于线性调频带宽和信噪比，可以通过相对低频的接收器电子设备实现，相比之下脉冲测距精度受到接收器带宽的限制。第四，它的检测灵敏度高，不需要很高的激光功率，因此也不会在波导中产生非线性效应，加上它不需要用到雪崩光电二极管（APD）和高速检测电路，所以适应激光雷达的硅基集成化发展。它的主要技术难点在于线性调频光信号的获取，解决方法有采用干涉仪、光频梳、微谐振器等校准扫频激光器，或者在外部级联光调制器等。

硅基片上激光雷达的扫描实现方式

面阵闪光激光雷达

flash脉冲激光雷达的工作模式类似于照相机，它基于TOF原理，系统发射具有高重复频率的脉冲光束，脉冲光束完全照亮整个视场。由于空间中存在目标物，探测器阵列中每个单元获取的光子具有不同的飞行时间，据此可以获得距离信息，实现三维成像。荷兰代尔夫特理工大学演示了一种flash激光雷达。图5a给出了该雷达系统使用的单光子雪崩二极管（SPAD）芯片，它采用0.18 μm CMOS工艺制造，尺寸为21.6 mm × 10.2 mm，具有252 pixel × 144 pixel和1728个12位时间数字转换器（TDC），其上约70%的面积为部分直方图读出电路（PHR），作用是将原始数据处理为直方图数据输出，压缩输出的数据量。芬兰奥卢大学提出的flash激光雷达系统采用了基于块的分段照明策略，如图5b所示。西安电子科技大学采用0.18 μm HV CMOS工艺制造了2.9 mm × 2.9 mm的flash脉冲激光雷达芯片，如图5c所示。该团队利用基于此芯片的激光雷达系统成功演示了4.5 m处的室内3D成像，在超过20 m的室外测距实验中，相对测量误差不超过0.35%，如图5d所示。

图5 flash脉冲激光雷达样例

flash激光雷达的系统中没有运动部件，具有抗振动、体积小、价格低等优点。其点云是由单次激光脉冲生成的，而非逐点构建，因此可以解决时间同步问题。其缺点是需要较高的激光峰值功率以同时照亮大的空间区域，信噪比低，检测距离和视场有限，性能还会受到目标物反射率的影响。由于雷达的距离分辨力率和角分辨率直接受限于探测器阵列的规模和性能，而大规模阵列意味着大数据处理量，因此成像分辨率和成像速度之间需要进行平衡。此外，从目标表面反射的回波信号往往很弱，探测器往往需要采用昂贵的SPAD。

光学相控阵激光雷达

OPA中主要包括分光器、移相器和天线等3个部分。其中，移相器为光信号引入相位延迟，主要通过热光效应或电光效应实现，天线通常采用光栅耦合器、边缘耦合器或端射耦合器的形式。OPA通过控制光通过微波导的相位，从而控制波前的形状和方向，实现光束偏转。

2017年麻省理工学院电子研究实验室首次在硅光子芯片上展示了采用三角波调制的FMCW激光雷达，如图6所示。美国Analog Photonics公司展示了相干二维固态激光雷达原型系统，其中使用了两个大型OPA，首次展示了使用OPA实现的实时3D相干激光雷达系统，获取的图像如图7所示，其中，清晰地展示了7 m外站立的人的手臂和腿部等特征。

图6 FMCW激光雷达系统

图7 来自基于光栅扫描的OPA的3D LiDAR系统的实时数据，插图显示被光栅扫描的场景

三星电子于2020年展示了带有集成半导体光放大器（SOA）的32通道硅光子OPA。该公司还首次展示了不使用外部光源或放大器的芯片级激光雷达解决方案，如图8A所示。2021年，三星电子通过III-V-on-Si工艺将可调谐激光二极管、SOA和32通道的OPA集成在8.7 mm × 3 mm单芯片上，如图8B所示。吉林大学在多层SiN-SOI平台上制造了分别具有鱼骨结构和链式结构的两个128通道OPA，其图像如图8C所示。

图8 OPA样例

OPA结构紧凑，制造成本低，对于机械冲击和振动不敏感，因为没有运动部件而完全没有惯性，且任意时刻的扫描方向只由当前调用的相位查找表决定，与前一时刻的扫描方向无关，在高速扫描下可以实现具有高方向增益的随机指向。由于阵列中的所有光学天线需要进行精确的幅度和相位控制，扩大OPA的制造规模比较困难。目前大多数能做到宽视野的大规模OPA只是一维阵列，另一个方向的扫描通常通过调谐激光器的波长实现。此外OPA还面临着较高的光损耗、阵列串扰、热稳定性等挑战，它较低的片上光功率也会限制远距离探测。从广义上来说，液晶超表面（LCM）技术也属于特殊的OPA，该技术使用液晶来调整超表面以创建可以快速更改的反射光栅改变衍射角，由于技术尚在发展中，所以信息量有限。

透镜辅助光束转向激光雷达

透镜辅助光束转向（LABS）技术具有类似相机的光学系统，包括片上开关/天线阵列和片上（或片外）透镜，阵列位置与透镜的焦平面重合，所以也可称为基于焦平面阵列（FPA）的光束转向技术。阵列中采用的开关通常为Mach-Zehnder（MZ）干涉仪开关、MEMS开关和环形谐振器开关。通过打开特定的开关，入射光被引导到相应的天线进行准直，经透镜出射发生规定的角度偏转，进入自由空间。在这一技术中，每次只有一个发射器发射一束光，通过将光束切换到不同的发射器来控制光束的发射角度，光束的扫描是离散的。

2020年上海交通大学演示了基于LABS的固态脉冲激光雷达，如图9A所示。该团队此后还在单个片上二维收发器阵列芯片上同时实现了光束发射、转向和接收，如图9B（a）所示。美国加州大学伯克利分校开发出一种新型高分辨率芯片激光雷达，它采用基于MEMS工艺的128 pixel × 128 pixel的焦平面开关阵列（FPSA），并将其集成在尺寸为10 mm × 11 mm的硅光子芯片上，如图10所示。2021年来自美国的Pointcloud Inc.和英国南安普敦大学光电研究中心的研究团队展示了基于FPA的全固态集成光子激光雷达，图11（a）展示了此系统的示意图。

图9 LABS技术

图10 FPSA器件的显微图像

图11 固态三维成像激光雷达

LABS技术可以实现快速随机扫描，它最突出的优点在于只需要对二进制开关进行控制，控制简单，制造成本低。此外，它的天线布置灵活，允许更大的像素密度，还可以实现二维转向。由于开关和光束角度的对应关系，为了获得高分辨率图像，开关的数量也要尽可能地增加，同时也需考虑透镜像差带来的光束畸变问题。当光束转向步长角太大时，位于两束光之间的小目标会被遗漏，使系统存在盲区。

慢光光栅激光雷达

慢光光栅（SLG）以自由空间光束的形式发射导模，通过改变波长或波导折射率进行控制。2022年日本横滨国立大学将SLG与Ge光电二极管相结合，在芯片上构建了基于零差探测的FMCW激光雷达系统，系统外观如图12所示。

图12 FMCW激光雷达芯片

由于慢光效应，SLG的光束角相比通常的波导光栅对波长和折射率更加敏感。与OPA和FPA相比，SLG减轻了光学天线的大规模集成和相位校准的负担，同时通过固定激光波长的热光效应可以实现大范围和高分辨率的光束扫描。不足的是，由于该技术利用了热光效应，结构边缘的温度不均匀性会干扰光束角度，加热的效率也会制约扫描速率，且整个系统可能需要引入额外的温控系统以控制外界温度的干扰。此外，该技术对刻蚀均匀性的要求也较高。由于研究尚处于起步阶段，该技术的光学损耗和噪声较大，检测距离有限，其实用性还需进一步的研究来证明。

其他激光雷达

当激光雷达只有固定角度的测距需求时，系统因为无需光束转向机构而可以大大简化。例如法国泰雷兹集团展示的基于硅光子平台的FMCW激光雷达，如图13所示。

图13 基于硅光子平台的FMCW激光雷达

与LABS技术类似，这种结构可以实现快速随机扫描，并且结构灵活，制造成本低，同时也存在盲区问题。此外，该结构对输出端环形器和准直器的需求使得系统连线复杂，没有完全发挥出硅基系统的优势。

总结与展望

凭借着精度高、抗干扰能力强等优点，激光雷达成为了车辆感知系统的重要配置，在无人驾驶领域具有广阔的应用前景。面对车载激光雷达极具潜力的商用市场，传统扫描型激光雷达在成本和可靠性等方面难以突破现有的瓶颈，而固态激光雷达却有着强大的发展潜力，MobileEYE、AEVA和速腾聚创等国内外厂商纷纷投入产品研发或布局相关产业。

历经多年发展，硅基光电子技术无论在材料、设备或是加工制造、封装测试等各个方面都积累了大量成熟的技术，是激光雷达理想的集成平台。本综述立足于硅基片上激光雷达固态扫描方案，重点介绍了flash、OPA、LABS和SLG这4种技术近5年的研究进展，并对它们的技术特点进行了总结。就未来的市场应用而言，flash激光雷达结构简单，发展较成熟，目前已有LeddarTech Pixell等产品出现，但因为探测距离及精度有限，主要用于低速和精度要求较低的应用场景，还难以作为汽车的主雷达使用。OPA体积紧凑，扫描速度快，具有低成本量产的可行性，也很适合与FPA或衍射光栅结合而实现二维光束转向，是当前的研究主流。虽然目前的产业链仍不成熟，实际产品制造存在较大的技术难点，短期内难以实现量产，但Quanergy的S系列产品也已经在推进产品化进程。相比之下，LABS技术和SLG技术发展较晚，缺少技术累积与实用性证明，目前还停留在研究阶段，距离商品化还有很长的路要走。

对于整个激光雷达系统来说，目前除扫描系统以外，激光源、调制模块、放大器及光电探测器等其余一些组件也已经有了芯片化成果，但分立的芯片器件之间仍需要通过光纤或空间耦合，功耗、体积和稳定性等问题依然存在。但随着研究者们对异构集成平台的开发，可以预见，未来的硅基芯片上将可以集成激光雷达系统中所需的各个有源和无源器件，使激光雷达完全实现芯片化，从而提高系统工作的稳定性，简化制造和安装流程，大大降低其体积和生产成本，最终提升激光雷达在无人驾驶等领域的竞争力。

审核编辑：黄飞