固态 LiDAR

概述

固态 LiDAR（Solid-State LiDAR）是指没有宏观机械运动部件的激光雷达。与传统机械旋转式 LiDAR 相比，固态 LiDAR 具有更高的可靠性、更小的体积、更低的成本潜力，被认为是 LiDAR 技术从研发走向大规模量产的关键方向。

机械式 vs 固态：为什么需要固态

对比维度	机械旋转式	固态
运动部件	电机驱动整体旋转	无宏观运动部件
使用寿命	~10,000 小时	~100,000 小时
体积	较大（需要旋转空间）	小巧紧凑
重量	500g – 2kg	100g – 500g
FOV	水平 360°	有限（60°–120°）
可靠性	振动/冲击敏感	高可靠性（车规级）
成本（量产）	高（机械加工精度要求）	低（半导体工艺量产）
车规认证	困难	更容易达到

FOV 限制

固态 LiDAR 最大的限制是无法实现 360° 全向扫描。解决方案是使用多个固态 LiDAR 组合覆盖全周视角，或针对特定应用（如前向感知）使用单个传感器。

固态 LiDAR 技术路线

graph TD
    A[固态 LiDAR 技术路线] --> B[MEMS 微振镜]
    A --> C[OPA 光学相控阵]
    A --> D[Flash LiDAR]
    A --> E[棱镜/楔角镜旋转]
    A --> F[FMCW 固态]

    B --> B1[MEMS 微镜控制激光指向<br/>速腾 RS-M1]
    C --> C1[电控改变光束方向<br/>Quanergy, Analog Photonics]
    D --> D1[面阵发射/接收<br/>Ibeo, Continental]
    E --> E1[小型光学元件旋转<br/>Livox Mid-360]
    F --> F1[频率调制+相干检测<br/>Aeva, SiLC]

MEMS 微振镜扫描

原理：使用微机电系统（MEMS）制造的微型振镜来偏转激光束方向，实现二维扫描。

\[ \theta(t) = \theta_0 \sin(2\pi f t) \]

其中 $\theta_0$ 为最大偏转角，$f$ 为振镜谐振频率。

技术特点：

特性	说明
扫描方式	1D 或 2D MEMS 镜快速振动
优点	技术成熟、成本可控、可量产
缺点	振镜仍是运动部件（微观）、抗冲击能力有限
FOV	通常 60°–120°
代表产品	RoboSense RS-M1、Innoviz InnovizTwo

工作流程：

激光器发射脉冲
MEMS 镜将激光偏转到目标方向
反射光经同一 MEMS 镜返回
探测器接收并测量飞行时间
MEMS 镜快速振动覆盖整个 FOV

OPA 光学相控阵

原理：类似于相控阵雷达，利用多个发射单元的相位差控制激光束方向，实现纯电控波束扫描。

\[ \theta = \arcsin\left(\frac{\lambda \cdot \Delta\varphi}{2\pi d}\right) \]

其中：

$\lambda$ 为激光波长
$\Delta\varphi$ 为相邻单元相位差
$d$ 为阵元间距

技术特点：

特性	说明
扫描方式	纯电控相位调节
优点	真正无运动部件、扫描速度极快、可随机访问
缺点	技术难度大、功率有限、旁瓣问题
现状	研发阶段，少量产品化
代表	Quanergy（已破产）、MIT/Caltech 研究

OPA 的挑战

OPA 在理论上是最理想的固态方案，但面临阵元数量、发射功率、旁瓣抑制等技术挑战。目前商业化进展缓慢，短期内难以大规模部署。

Flash LiDAR

原理：类似于相机的"闪光灯"，一次性照亮整个场景，使用面阵探测器（如 SPAD 阵列）同时接收所有方向的反射信号。

技术特点：

特性	说明
扫描方式	无扫描，面阵并行
优点	无运动部件、帧率高、结构简单
缺点	测距范围短（能量分散）、分辨率受限于阵列大小
适用场景	近距离（<30m）、补盲、手势识别
代表	Ibeo、Continental、Apple iPad LiDAR

Flash LiDAR 的距离限制源于能量守恒：

\[ P_{\text{per pixel}} = \frac{P_{\text{total}}}{N_{\text{pixels}}} \]

要覆盖更多像素或更远距离，需要更大的发射功率，这受制于人眼安全标准。

棱镜/楔角镜旋转（Livox 方案）

原理：使用一个或多个小型旋转棱镜改变激光方向，产生独特的非重复扫描图案。

技术特点：

特性	说明
扫描方式	小型棱镜旋转（半固态）
优点	成本低、可靠性较高、非重复扫描提高等效分辨率
缺点	严格来说非纯固态、仍有微小运动部件
代表	Livox Mid-360、HAP、Avia

非重复扫描的覆盖率：

\[ C(T) = 1 - e^{-\lambda T} \]

其中 $C(T)$ 为积分时间 $T$ 内的 FOV 覆盖率，$\lambda$ 为扫描密度参数。随时间增加，覆盖率指数逼近 100%。

FMCW 固态 LiDAR

原理：结合 FMCW 测距技术和固态波束控制（OPA 或 MEMS），实现相干检测。

技术特点：

特性	说明
测距原理	频率调制连续波（相干检测）
优点	同时获取距离+速度、抗干扰能力强、灵敏度高
缺点	技术复杂度最高、成本高
代表	Aeva Aeries II、SiLC Eyeonic

关键优势——瞬时速度测量：

\[ v = \frac{f_{\text{Doppler}} \cdot \lambda}{2} \]

传统 ToF LiDAR 只能通过连续帧差分估计速度，而 FMCW 可以从单次测量直接获取径向速度。

Livox Mid-360 详解

Livox Mid-360 是当前机器人领域最受欢迎的固态（半固态）LiDAR 之一。

规格参数

参数	值
测距范围	40m（@10%反射率），70m（@80%）
FOV	360° × 59°（-7° ~ +52°）
点频	200,000 pts/s
扫描方式	非重复旋转棱镜
精度	±2cm（@0.2m–10m）
回波数	双回波
内置 IMU	6 轴，200Hz
接口	100M Ethernet
尺寸	∅63.18mm × 47.98mm
重量	~265g
功耗	5.5W（典型）
防护等级	IP67
工作温度	-20°C ~ +55°C
价格	~$1,099

非重复扫描模式

graph LR
    subgraph "积分时间效果"
    A["50ms<br/>低覆盖"] --> B["100ms<br/>中覆盖"]
    B --> C["200ms<br/>高覆盖"]
    C --> D["500ms<br/>近似全覆盖"]
    end

随着积分时间增加，扫描图案逐渐填充整个 FOV，等效分辨率不断提高。这是 Livox 区别于传统线扫 LiDAR 的核心优势。

典型应用

四足机器人：轻量、360° FOV、内置 IMU，适合 FAST-LIO2/Point-LIO
无人机建图：轻量、功耗低
服务机器人：3D 感知和避障
低速自动驾驶：园区物流车、配送机器人

各技术路线对比

技术路线	成熟度	成本	性能	量产难度	主要瓶颈
MEMS 微振镜	★★★★	中	好	中	振镜可靠性
棱镜旋转	★★★★	低	好	低	严格来说非纯固态
Flash	★★★	低	中（距离短）	低	测距范围
OPA	★★	高	潜力大	高	功率、旁瓣
FMCW	★★★	高	优秀	高	系统复杂度

固态 LiDAR 的未来趋势

成本下降：随着量产规模扩大，车规级固态 LiDAR 价格将降至 $200–$500
芯片化：将发射、扫描、接收、处理集成到单芯片（SoC LiDAR）
FMCW 普及：4D LiDAR（距离+速度）将成为下一代标准
与摄像头融合：在同一传感器模块中集成 LiDAR 和相机
1550nm 波长：人眼安全 + 更高功率 → 更远测距

参考资料

Livox 技术白皮书：https://www.livoxtech.com
《LiDAR Technologies and Systems》 - SPIE
Aeva FMCW 技术文档
RoboSense RS-M1 产品规格书
Hesai FT120 技术资料

固态 LiDAR

概述

机械式 vs 固态：为什么需要固态

固态 LiDAR 技术路线

MEMS 微振镜扫描

OPA 光学相控阵

Flash LiDAR

棱镜/楔角镜旋转（Livox 方案）

FMCW 固态 LiDAR

Livox Mid-360 详解

规格参数

非重复扫描模式

典型应用

各技术路线对比

固态 LiDAR 的未来趋势

参考资料

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