自動駕駛的終極感覺方案？OPA雷射雷達有了新進展

電子發燒友網報道（文/梁浩斌）自動駕駛雷射雷達的路線之争，現階段來看MEMS振鏡掃描+ToF測距是最大的赢家。實際上，MEMS和機械轉鏡式的掃描結構也是目前唯二可以實作規模量産的，并且體積足夠小，可以安裝在乘用車上的雷射雷達産品。

但未來通往純固态雷射雷達的道路上，有業内人士認為OPA（光學相控陣）掃描+FMCW測距的雷射雷達會是最終的最佳方案。隻是問題在于，OPA雖然從各方面來看都是掃描效率最高的形式，但截至目前還未有實用的産品落地，相比于其他的比如Flash、FMCW等實作純固态雷射雷達的技術，落地進度顯然要落後一大截。

OPA雷射雷達的新進展

最近丹麥技術大學研究小組兩名成員Hao Hu和Yong Liu在《光學》期刊中釋出了文章，介紹了一款基于晶片的新型光束控制技術。Hao Hu表示，他們的成果将為基于OPA的低成本緊湊型雷射雷達奠定了基礎。

在雷射雷達中，光束控制是最關鍵的技術之一，目前MEMS、轉鏡等機械式的光束控制系統都有一些局限性，由于機械部件的存在對震動較為敏感，且掃描速度有限。基于晶片的OPA雷射雷達，則可以不需要機械結構就可以實作快速精準控制光線，但由于技術原因，目前的大多OPA裝置的光束品質較差，視場角也難以突破100°。

OPA雷射雷達的原理是，通過多個雷射發射單元組成發射陣列，通過調節發射陣列中各個單元的相位差，來改變雷射光束的發射角度，在設定方向上産生互相加強的幹涉進而實作高強度的指向光束，完成掃描。

一直以來，OPA雷射雷達進展緩慢的一個重要原因是旁瓣效應難以解決。旁瓣效應是由于光學衍射産生的一種鄰近效應。在OPA雷射雷達上，光束通過OPA器件後的光束合成實際是由光波的互相幹涉形成的，是以容易形成陣列幹擾，令雷射能量被分散，在最終出現光學僞影等問題。也正是因為這種原因，OPA視場和光束品質之間難以平衡。

是以這次該研究小組設計了一種新型的OPA結構，用平闆光栅取代傳統的OPA多個發射器。由于平闆光栅中的相鄰通道本身可以非常接近，可以在靠近單個發射器中進行幹涉和光束形成，是以相鄰通道之間的耦合在平闆光栅中不會産生幹擾，可以消除疊混誤差。同時，研究人員還采用其他的光學技術，以降低背景噪聲并減少旁瓣效應等光學僞影等。

在實測中，這套新型的OPA系統可以實作±70°光束轉向無混疊，但也出現了一些光束衰減的情況。而通過将光源波長從1480nm調諧至1580nm來測試垂直方向上的光束控制，最終實作13.5°垂直方向的調諧範圍。測試是在光束寬度為2.1°的情況下進行的，目前該研究小組還正在努力降低光束寬度，希望實作更高分辨率和更遠範圍内的波束控制。

各大廠商進展如何？

國外方面，Quanergy是最早進入OPA雷射雷達領域的公司，2012年創立于矽谷。今年5月，Quanergy公布了其OPA雷射雷達實作250米的檢測距離，而15個月前這個數字是100米。據Quanergy官方介紹，其OPA技術基于CMOS工藝相容的矽光晶片，可以實作大規模生産。但截至目前，Quanergy的S系列OPA雷射雷達依然難以達到大規模量産的同時滿足客戶要求。除此之外，Analog Photonics、Voyant Photonics、Scantinel Photonics 等國外OPA雷射雷達玩家均預計要到2025年後才實作規模量産。

國内也有很多雷射雷達廠商以及科研機構在OPA方向進行投入，包括洛微科技、萬集科技、力策科技等等。在OPA雷射雷達的關鍵矽光晶片上，今年7月，揚州群發換熱器有限公司和美國密歇根大學合作，表示經過多年研發掌握OPA 2D/3D雷射雷達全新專利技術，并在國内完成多輪疊代的流片工作，其中OPA 2D雷射雷達試制晶片各項技術名額均達到設計要求，即将進入産業化發展階段。同時OPA 3D雷射雷達晶片的研發也在進行中。

另一家在國内走得較前的OPA雷射雷達公司洛微科技，在去年9月完成了第二代矽光FMCW SoC和OPA雷射雷達矽光晶片的流片。前面也提到FMCW+OPA可能是雷射雷達的終極形态嗎，洛微科技也是在創立之初确立了采用FMCW和OPA技術的純固态雷射雷達發展方向。據洛微科技官網顯示，采用了LuminScan光束控制系統的D系列純固态雷射雷達已經推出，基于自研矽光晶片，探測距離達30m，視場角120°×90°，角分辨率為0.3°×0.3°。

LT-X遠距離OPA雷射雷達 來源：力策科技官網

力策科技在2019年時表示2020年将實作OPA雷射雷達完全的定型量産，而目前官網上已經出現了一款遠距離OPA雷射雷達，型号為LT-X。LT-X掃描視場角為60°×60°，采用了波長905nm的光源，測量距離最高可大于200m，旁瓣抑制<30db。

總體而言，OPA雷射雷達相比與其他純固态雷射雷達，比如采用Flash、FMCW等技術的産品大規模落地進度可能要晚2-3年。但晶片化、內建度高，未來規模量産後成本較低、且具備抗幹擾能力強、探測距離遠、掃描頻率高等優勢，OPA技術未來有一統自動駕駛雷射雷達産業的潛力。随着矽光晶片工藝提升、以及光束品質的進一步提高，相信OPA技術會被更多雷射雷達廠商選擇。