全固态激光雷达为什么迟迟未来？其技术难点是什么？

[首发于智驾最前沿微信公众号]激光雷达（LiDAR）作为自动驾驶车辆环境感知的“第三只眼”，能够发射激光脉冲并接收反射光，实时构建周围物体的三维点云，从而为车辆决策提供精准的距离和形状信息。与摄像头相比，激光雷达不受光线的影响，探测距离更远、精度更高、抗干扰能力更强。

上图示例为车载激光雷达采集到的三维点云。最早应用于无人车的机械式激光雷达借助电机驱动旋转镜体，实现360度水平扫描，因此视场角大、探测距离远、点云密度高。这种方案技术成熟度最高，Velodyne的早期64线雷达就可探测数百米范围并输出高密度点云。缺点是结构复杂、体积大、成本高昂（往往万元以上），且由于机械旋转部件的寿命有限，可靠性不足。因此，机械雷达主要用于研发测试或路侧监测等对成本敏感度低的场景。

随着技术发展，半固态（混合式）激光雷达逐渐成为主流量产方案，现在很多以智驾为宣传点的车辆上使用的就是半固态式激光雷达。半固态设计通常仅保留一个或若干微型运动部件（如转镜或MEMS微振镜）来控制激光扫描方向，而发射和接收模块本身多为固定结构。这种设计将机械运动限制在微小范围内，大大降低了体积和成本，并使车规级量产成为可能。一种常见的半固态方案是通过一个旋转的多面体棱镜一维扫描，再配合一个垂直振镜进行二维扫描，从而用少量激光器实现高线束覆盖和高分辨率点云。典型产品如禾赛AT128雷达内部集成128个激光通道，可在垂直方向同时发射128束激光，提供接近相机级别的点云分辨率，并实现约200米的探测距离和每秒153万点的点云输出。

全固态激光雷达则彻底取消了所有机械运动部件，依靠电子手段进行激光束扫描。主要技术路线有光学相控阵（OPA）和Flash（泛光面阵）两种。OPA利用芯片上由多个发射单元组成的相控阵，通过调节单元相位差来改变发射光束角度，从而快速、可控地扫描空间。Flash方式则类似于“闪光灯”照相，一次发射一大片激光覆盖探测区域，再用高灵敏接收器直接构建三维图像。全固态方案在结构上最为简单，集成度最高，理论上可以实现最小体积、最低成本、最高可靠性。纯固态设计可以把发射器、光学调制器和探测器芯片做成单片，从而显著降低材料成本并简化组装过程；去掉转动部件后使用寿命可延长到数万小时，有利于车辆级大规模应用。在理论上，全固态激光雷达具有取代机械式和半固态的巨大潜力，预计若量产良率达标，单价可以被控制在几百美元甚至更低。

从技术原理上看，全固态激光雷达的优势非常明显，但为何到现在还没有真正地大面积普及？其实全固态激光雷达存在很多难点需要解决。全固态激光雷达的光束控制与扫描范围受限，由于没有机械旋转，全固态雷达的扫描范围往往需要多个收发单元并联才能覆盖大视场，否则单个单元的扫描角度有限。旁瓣和斑点效应也是OPA雷达的挑战，光学相控阵在实际运行中会出现光栅旁瓣、干涉斑点等现象，使得光能在非主瓣方向扩散，从而降低探测精度和抗干扰能力。还有就是制造难度高，OPA要求阵列单元尺寸小于半个波长（一般波长约1µm，对单元尺寸要求约500nm），阵列密度越高，光能越集中，对制造精度和工艺稳定性要求极高。能量和探测距离受限，全固态设计中每个光束的能量密度较低，导致有效探测距离偏短。许多Flash雷达早期受限于激光功率密度，探测距离只有几十米。即便通过多结VCSEL等技术提升功率密度，要达到数百米探测距离，也需要在发射功率、探测灵敏度和大规模像素阵列读出电路等方面进行协同突破。还有就是信噪比问题，全固态设计的接收面通常比机械雷达大得多，容易接收更多环境光噪声，信噪比较低。再加上高速行驶场景下的多普勒效应、热效应等外部影响，全固态雷达在分辨长距离小目标时信号容易淹没在噪声中，需要采用高度优化的探测芯片和算法来提升可靠性。简而言之，目前市面上的全固态产品还难以同时兼顾大视场、高探测距离和高分辨率，这也是它们短期内难以取代前向主雷达的重要原因。

相比之下，半固态激光雷达技术已相对成熟，并在当下的自动驾驶市场大规模落地。半固态雷达的集成度较高、成本显著降低且已实现量产，目前单价一般在3000元人民币左右。当前众多量产车型均采用MEMS或者转镜式雷达作为前向主雷达或侧面补盲雷达。华为与极狐合作的阿尔法SHI版搭载了96线MEMS雷达，蔚来ES6（参数丨图片）/ES8、小鹏G9等车型则采用了速腾聚创和镭神等厂商的雷达产品。这些半固态雷达性能已能满足L2+甚至部分L3场景需求，典型水平视场角可达100°以上，垂直视场也在20°–30°，探测距离多在150–200米范围。而且随着生产规模的扩大和技术优化，半固态雷达的成本仍在持续下降。有数据统计，随着MEMS制造工艺的成熟和出货量提升，半固态雷达未来售价有望进一步接近500–800美元。目前，它们与毫米波雷达和高清摄像头协同构成了自动驾驶辅助系统中较为经济高效的感知方案。

全固态激光雷达具备小体积、高可靠、低成本的理论优势，但由于光学和电子技术的多重挑战，目前还未能大规模量产。半固态雷达因折中式设计已成为当下自动驾驶的主流选择，且性能不断提升、成本持续下降。未来的激光雷达发展将继续朝着“高性能、低成本、小体积、高可靠性”方向迈进，全固态技术的突破有望最终引领这一趋势，但在此之前半固态解决方案仍将在市场中占据重要位置。随着芯片工艺和算法的迭代更新，我们有理由相信全固态激光雷达的门槛会逐步被攻破，其应用前景依然值得期待。