激光雷達(dá)核心器件激光器的分類及選擇

雷達(dá)作為車輛避障的重要手段，現(xiàn)在已經(jīng)從最初僅有超聲波雷達(dá)發(fā)展到超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)互補(bǔ)共存的階段，激光雷達(dá)以其分辨率高的優(yōu)勢，迎來快速增長的時期，無人駕駛技術(shù)已是大勢所趨，車載的激光雷達(dá)近幾年出現(xiàn)爆發(fā)式增長的局面。今天給大家介紹一下激光雷達(dá)核心器件激光器的分類及選擇。

一、激光雷達(dá)技術(shù)路線

激光雷達(dá)根據(jù)掃描方式和測距原理的不同分為不同的激光雷達(dá)，不同技術(shù)路線的激光雷達(dá)有著不同的優(yōu)勢。如TOF技術(shù)路線的優(yōu)勢在成熟度，綜合成本、FMCW 技術(shù)路線優(yōu)勢在于長距離，抗干擾。目前dTOF技術(shù)路線為市場主導(dǎo)方案。

二、激光器的分類

激光光源是車載激光雷達(dá)的核心器件之一。目前常見的幾種光源主要包括邊發(fā)射激光器(EEL)、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)、固體激光器以及光纖激光器等。

1、邊發(fā)射激光器(EEL)

用于激光雷達(dá)的邊發(fā)射激光器，最常用的是InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱脈沖激光二極管(PLD, Pulsed laser diode)，波長以905 nm最為流行。

905 nm 脈沖激光二極管在測距領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用很多年，技術(shù)也是突飛猛進(jìn)。激光器芯片的發(fā)射單元結(jié)構(gòu)已由單層發(fā)展到兩疊層或三疊層甚至四疊層。隨著激光雷達(dá)對905 nm 脈沖激光二極管輸出功率及光學(xué)點陣云要求的提高，激光雷達(dá)所需的芯片結(jié)構(gòu)也由單通道發(fā)展到4通道，甚至6通道或8通道。

常見的905 nm PLD的封裝結(jié)構(gòu)是TO、蝶式、尾纖以及更好的散熱基座上直接安裝芯片等。

2、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)

VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)是一種垂直表面出光的新型激光器，其制造工藝與邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器相兼容，且大規(guī)模制造的成本很低。另一方面，VCSEL的生長結(jié)構(gòu)更易于芯片級的二維VCSEL陣列，不僅可以提高輸出功率，還為設(shè)計各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的點陣光源提供了可能，近年來，車載激光雷達(dá)及3D感知發(fā)展非常迅速，引得國內(nèi)外大量廠商在VCSEL領(lǐng)域布局。

3、固體激光器

固體激光器是閃光式車載激光雷達(dá)(Flash LiDAR)技術(shù)路線的激光光源方案。閃光式激光雷達(dá)是真正意義上的固態(tài)面激光雷達(dá)，激光雷達(dá)內(nèi)部沒有任何掃描或運動部件。

三、激光器的選擇

激光光源的選擇需綜合考慮實際應(yīng)用環(huán)境、激光雷達(dá)技術(shù)方案、性能需求以及成本需求，需要多種類型的激光光源來適應(yīng)不同的道路環(huán)境。

邊發(fā)射激光器(EEL)邊緣發(fā)射激光器具有高功率密度和高脈沖峰值功率，非常適合使用APD探測器的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

VCSEL 具有很高的吸引力，因為它有可能將2D發(fā)射器陣列和2D SPAD探測器陣列組合成一個沒有運動部件的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

光纖激光器輸出功率高、光束質(zhì)量好、速度快，是高性能系統(tǒng)的理想選擇，但其復(fù)雜性顯著增加。

四、激光雷達(dá)系統(tǒng)波長的選擇

需要從背景噪聲、人眼安全、探測器以及系統(tǒng)波長幾方面綜合考慮。

相較于1550 nm波長，905 nm的主要優(yōu)點是硅在該波長處吸收光子，而硅基光電探測器通常比探測1550 nm光所需的銦鎵砷(InGaAs)近紅外探測器更加成熟，從成本和整體成熟度方面來講是大批量應(yīng)用的必然選擇，性價比更高。

1550 nm激光遠(yuǎn)離人眼吸收的可見光光譜，相比于905 nm激光, 同等功率的1550 nm激光人眼安全性提高40倍。

相較于905 nm激光雷達(dá)，1550 nm激光雷達(dá)在光源及探測器成本、體積以及供應(yīng)鏈成熟度上還有明顯的不足。

綜上，各波長各有優(yōu)劣，需結(jié)合激光雷達(dá)的系統(tǒng)設(shè)計從而選擇合適的波長。根據(jù)不同的駕駛環(huán)境需要，邊發(fā)射型半導(dǎo)體激光器，VCSEL激光器，固體激光器，光纖激光器都有各自的用武之地。

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審核編輯：湯梓紅