为什么说光学相控阵是自动驾驶汽车激光雷达的未来？

基于 OPA 的激光雷达不断发展和成熟，它将成为一种具有成本效益、高性能的技术，具有用于 AV 导航和避免碰撞的高级态势感知——可以大规模制造。这种选择的目标架构在过去二十年汽车相控阵雷达的激增中得到了证明，因为该行业已经接受了相控阵架构，年出货量已经超过 2000 万台。

虽然与传统机械激光雷达相比，基于 OPA 的激光雷达仍然相对较新，但它正在取得如此快速的进步，以至于到 2022 年，采用 OPA 技术的固态激光雷达开始与运输行业相关联。图 1 解释了 Quanergy 的高级架构理念用于汽车激光雷达。尽管性能规格很重要，但在运输行业部署激光雷达最关键的方面是低成本和高可靠性。

一个有意识的架构选择是对基于 OPA 的固态激光雷达中的所有关键组件使用 (Si CMOS) 工艺。其动机是利用成熟的半导体工艺来支持低成本、大批量的制造成本结构。Quanergy 这条技术发展道路将更具挑战性和耗时；然而，该公司采取了这条路线，避免了任何可能损害长期成本和可靠性指标的捷径——这是激光雷达量产化的最终决定因素。

在本文中，我们将解释什么是 OPA 以及为什么它是自动驾驶汽车的首选技术。

3D 激光雷达可以通过固态扫描或机械运动来实现。尽管许多激光雷达供应商声称具有固态功能，但当今市场上的大多数激光雷达传感器都使用微观或宏观机械运动进行操作。这些激光雷达传感器通常使用旋转或振动机制，或 MEMS（微机电系统）反射镜来实现机械扫描功能。

虽然在某些行业和应用中使用了机械运动的激光雷达传感器，但它们在汽车市场上有其局限性。例如，旋转或振荡激光雷达传感器相对较大且笨重，以适应扫描机制。此外，与新型激光雷达相比，机械激光雷达传感器的制造成本更高。这两个因素都使得机械激光雷达在自动消费车辆中的广泛部署变得不切实际。

机械扫描还意味着有许多运动部件在受到冲击或振动时更有可能过早磨损或错位。机械扫描还限制了传感器对快速变化的情况（如驾驶）做出自适应响应的能力。正在投入大量的工程努力使宏观或微机械激光雷达达到汽车级合规性。

OPA 是相控阵雷达的光学模拟。相控阵具有多个天线单元，这些天线单元接收等强度相干信号，并在每个单元使用可变相位或时延控制来生成任意远场辐射方向图并在空间中对其进行扫描。

Quanergy 的OPA固态激光雷达采用 CMOS 兼容的硅光子集成电路 (PIC) 工艺制造的。激光束以电子方式控制，扫描传感器的视角，无需移动部件。固态激光雷达通过硅 CMOS 探测器解决方案进一步降低了成本，为激光雷达传感器的商品化提供了途径。

关于 OPA 的常见误解

虽然 OPA 激光雷达技术听起来很新，但它是基于数十年的研究进行的。此外，为旋转激光雷达产品开发的电子和软件解决方案也适用于固态激光雷达。这有助于加快商业化的步伐。然而，与任何新兴技术一样，基于 OPA 的激光雷达仍有重要的发展，这些发展将继续改进该技术，使其在未来几年更广泛地适用和更具成本效益。例如，虽然第一个商业产品已发布用于短程流量管理应用，但 Quanergy 基于 OPA 的传感器现在正在迅速将其性能水平扩展到更高的扫描速率和在阳光明媚的户外条件下 100 米或更远的更长检测范围和 10% 的反射率目标。

OPA 启用的独特功能

OPA 技术具有许多其他激光雷达扫描方法无法实现的优势，包括智能和自适应态势感知、消费车辆日常使用的高可靠性、与车辆设计无缝集成的低调外形以及低成本生产在高容量。

与许多行业（例如，通信、计算机、医疗传感器）的情况一样，随着时间的推移，硬件通常一方面被半导体技术商品化，另一方面被软件技术商品化。OPA 架构继承了半导体成本轨迹和软件扩展，并遵循这一自然趋势以实现可扩展的批量部署。

1.自适应智能变焦

电子扫描可以采用更具适应性的方法来扫描和放大感兴趣的区域。传感器可以根据不断变化的环境动态调整其激光束移动。例如，Quanergy 的固态激光雷达传感器具有智能缩放功能，可以动态放大和缩小以提供粗略或精细视图（图 2），而不会丢失更广阔的视野。这种软件控制的光束形成和转向为传感器硬件带来了智能，并将光束精确地放置在需要光线的地方。

2. 无与伦比的可靠性

基于 OPA 的激光雷达是真正的 100% 固态激光雷达，具有零移动部件。这提供了抗冲击和振动的能力，平均无故障时间 (MTBF) 超过 100,000 小时。这些传感器无与伦比的可靠性和使用寿命使其成为消费车辆的理想选择。

3. 低成本、大批量生产

Quanergy 的基于 OPA 的固态激光雷达采用成熟的 CMOS 硅生产工艺，与竞争的激光雷达传感器相比，可以以极低的成本支持极高的大规模生产。

4. 整车设计无缝集成

紧凑、轻便的基于 OPA 的激光雷达传感器可以无缝集成到车辆设计中，为目标检测、跟踪和分类提供丰富的数据，并支持多种功能，包括卡车排队、ADAS 功能（车道偏离/改变警告）和向前/向后碰撞警告）、自动代客泊车和地理围栏区域的自我导航。

结论

经过多年针对激光雷达的完善，OPA 技术正在迅速加快速度，以满足汽车行业对智能传感日益增长的需求。这是激光雷达改善世界各地人们生活质量的另一种方式，最终使我们的世界变得更安全、更美好、更高效。

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