从旋转镜到芯片级光束偏转的激光雷达（LiDAR）系统综述

《Optics & Laser Technology》：Review of light detection and ranging (LiDAR) systems from rotating mirrors to chip-scale beam steering

　　

激光雷达（Light Detection and Ranging, LiDAR）被广泛应用于自主导航、机器人技术、环境监测和遥感中的三维传感。在机械式LiDAR实现之后，过去十年间固态和混合光束偏转技术的快速进步催生了更紧凑、更具成本效益且高性能的系统。本综述全面概述了LiDAR的测量原理、演进历程及最新发展。光学相控阵（Optical Phased Array, OPA）、超表面（Metasurface）、光学频率梳（Optical Frequency Comb）和光子集成（Photonic Integration）领域的新兴创新，正推动LiDAR从笨重的机械组件向芯片级光学引擎转变。结合垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL）和集成激光光源的进展，这些光束偏转方法正促使LiDAR模块变得更小、成本更低且更具可扩展性。在本教程式综述中，研究人员回顾了关键的测量技术，包括脉冲飞行时间（Time-of-Flight, TOF）、幅度调制连续波（Amplitude-Modulated Continuous Wave, AMCW）、调频连续波（Frequency-Modulated Continuous Wave, FMCW）和相位调制连续波（Phase-Modulated Continuous Wave, PMCW），随后回顾了机械式、固态及混合固态光束偏转方法，并重点关注新型固态系统。研究人员还简要讨论了新兴的下一代技术，包括基于机器学习的信号处理（Machine-Learning-Based Data Processing）和量子增强相干探测（Quantum-Enhanced Coherent Detection），这些技术有望在实际运行环境中提高灵敏度、速度和可靠性。

一、研究背景与问题

激光雷达（LiDAR）是一种利用光波进行三维传感的技术，广泛应用于自主导航、机器人技术、环境监测和遥感等领域。与射频雷达（RADAR）相比，LiDAR因波长更短而具有更高的精度和分辨率，能够更精细地绘制三维物体和环境。LiDAR的测距历史可追溯至20世纪30年代，当时探照灯被用于脉冲探测大气层。1963年，休斯飞机公司开发了早期相干光探测与测距系统（CoLiDAR），此后NASA在20世纪70年代开始研制用于大气和海洋次表层特性测量的LiDAR系统。20世纪80年代，商用GPS的出现推动了基于LiDAR的机载高程测绘发展。

传统机械式LiDAR系统虽然能够实现宽视场（FOV）三维传感，但其体积庞大、成本高昂且包含运动部件，难以满足消费级机器人和自动驾驶系统对小型化、低成本和高可靠性的需求。过去十年间，固态和混合光束偏转技术的快速发展为克服这些局限提供了新途径。然而，从机械扫描架构向芯片级固态架构的过渡涉及多种测量原理和光束偏转方案的权衡，现有综述多聚焦于特定应用或单一组件技术，缺乏以架构为中心的综合性梳理。因此，本研究旨在系统性地回顾LiDAR从机械式向芯片级演进的完整技术路径，为研究人员提供架构选择的参考框架。

二、研究内容与核心结论

该综述以架构演进为主线，系统梳理了LiDAR的测量原理和光束偏转架构。在测量原理方面，论文详细阐述了四种主要测距方法：脉冲飞行时间（TOF）、幅度调制连续波（AMCW）、调频连续波（FMCW）和相位调制连续波（PMCW）。TOF通过测量光脉冲往返时间计算距离，是最传统的方法，但其距离分辨率受电子时序精度限制，且无法直接提供瞬时速度。AMCW通过比较发射与接收信号的相位差来测距，主要局限在于探测器像素间的解调对比度和信噪比。FMCW通过频率调制实现距离和速度的同时测量，具有抗干扰优势。PMCW则通过相位编码实现类似功能。

在光束偏转架构方面，论文将LiDAR系统分为机械式、固态和混合固态三类。机械式LiDAR通过旋转镜实现宽FOV扫描，但体积大、成本高。MEMS（微机电系统）镜面LiDAR自2009年左右出现，代表了向更紧凑光束偏转系统的转变。2017年，光学相控阵（OPA）展示了固态光束偏转能力，2019年以来的工作进一步拓展了超表面、光子集成电路（PIC）和非机械光束偏转方法。硅或氮化硅平台上的OPA实现了无需运动部件的电子光束偏转，而混合电光电路通过共封装控制电子器件降低了延迟。异构集成、微梳生成和超材料领域的进展正在扩展固态LiDAR模块的可扩展性和精度。

论文通过对比多个代表性演示系统，总结了不同架构在视场角、扫描速率、阵列尺寸和分辨率等性能指标上的权衡。混合系统被视为连接成熟机械架构与全芯片级固态系统之间的实用桥梁。此外，论文还简要讨论了下一代技术，包括基于机器学习的信号处理（ML-based data processing）和量子增强相干探测（quantum-enhanced coherent detection），这些技术有望在实际运行环境中提高灵敏度、速度和可靠性。

三、关键技术方法

研究人员在综述中主要梳理了以下几类关键技术方法：脉冲飞行时间（TOF）测距技术，通过测量光脉冲往返时间计算距离；幅度调制连续波（AMCW）测距技术，通过相位解调估计距离；调频连续波（FMCW）测距技术，同时获取距离和速度信息；相位调制连续波（PMCW）测距技术。在光束偏转方面，涵盖了机械旋转镜、MEMS镜面、光学相控阵（OPA）、超表面（metasurface）、光学频率梳（OFC）和光子集成（PIC）等方案。这些方法共同支撑了从机械式到芯片级LiDAR的架构演进。

四、研究结果分述

2.1 脉冲飞行时间（TOF）测距原理：论文推导了距离计算公式d_TOF=cτ/2n，其中n为介质折射率，c为光速，τ为发射到探测的时间延迟。该公式假设单站或近共轴几何构型。TOF的主要局限在于电子时序精度限制距离分辨率，且无法直接提供瞬时速度。

2.2 幅度调制连续波（AMCW）测距原理：论文推导了往返时间延迟τ=2nd_AMCW/c和相位偏移φ=2πf_mτ的关系式，其中f_m为调制频率。AMCW通过相位解调估计距离，主要局限在于探测器像素间的解调对比度差和信噪比低。

2.3 调频连续波（FMCW）测距原理：FMCW通过频率调制实现距离和速度的同时测量，具有更好的抗干扰能力和更高的测量精度。

2.4 相位调制连续波（PMCW）测距原理：PMCW通过相位编码实现测距和测速，适用于需要多用户或抗干扰的场景。

3.1 机械式光束偏转：传统机械式LiDAR通过旋转镜实现宽FOV三维传感，2007年商用机械LiDAR系统建立了性能基准，但体积大、成本高。

3.2 固态光束偏转：包括光学相控阵（OPA）、超表面和光学频率梳等方案。OPA在硅或氮化硅平台上实现电子光束偏转，无需运动部件。超表面通过亚波长结构控制光束方向，光学频率梳提供多波长光源支持并行探测。

3.3 混合固态光束偏转：结合机械和固态方案的优势，如MEMS镜面与OPA的混合架构，作为过渡方案连接成熟机械架构与全芯片级固态系统。

五、讨论与结论

讨论部分指出，LiDAR系统的性能权衡涉及视场角、扫描速率、阵列尺寸和分辨率等多个维度，不同应用场景需要不同的架构选择。机械式LiDAR在宽FOV和成熟度方面具有优势，但难以满足小型化和低成本需求。固态方案在尺寸、成本和可扩展性方面具有潜力，但在视场角和扫描速率方面仍需改进。混合系统作为过渡方案，在实用性和性能之间取得平衡。

结论部分强调，集成光子学的发展使芯片级LiDAR架构成为可能，能够在单一衬底上单片集成激光器、调制器和探测器。光学相控阵、超表面、光学频率梳和光子集成等新兴创新正在推动LiDAR从笨重的机械组件向芯片级光学引擎转变。结合VCSEL和集成激光光源的进展，这些光束偏转方法正促使LiDAR模块变得更小、成本更低且更具可扩展性。未来的研究方向包括基于机器学习的信号处理和量子增强相干探测，这些技术有望提高实际运行环境中的灵敏度、速度和可靠性。混合系统作为实用桥梁，将在机械架构和全芯片级固态系统之间发挥持续作用。