这或许是无人驾驶普及的关键——固态激光雷达详解
无人驾驶技术已经成为汽车发展的一个大趋势，目前业界已经推出众多无人驾驶的试验车辆，但纵观所有无人驾驶汽车，它们都有一个共同点——顶个球。这个不停转动的“球”——激光雷达，既是实现无人驾驶技术的关键，但又成为了无人驾驶大规模商用的障碍。
但是今年的CES上出现了一款或将颠覆整个行业的产品——Quanergy公司的低成本 固态激光雷达 S3，固态意为不需要旋转，预计成本200美元，此价格比谷歌试验车上价值5万美元的激光雷达便宜了两个数量级，并获得了今年CES汽车智能类最佳创新奖。
为什么这一固态激光雷达能把成本压的如此之低？低成本有没有牺牲传感器的性能？我们来看看这固态激光雷达到底是什么东西。
大家都在电影里都见过军用雷达，这种雷达发射超声波或微波在360度范围扫描，通过接收反射波的时间差来判断物体的远近，而这个不断旋转的大锅，就是在进行 机械式的旋转扫描 。
传统“球”状车载激光雷达的原理和此种雷达类似，也是通过不断旋转发射头，将速度更快、发射更准的激光从“线”变成“面”，并在竖直方向上排布多束激光（即32或64线雷达），形成多个面，达到动态3D扫描的目的。这也就是为什么几乎所有的无人驾驶汽车都会有个不停旋转的球了。
为什么这个S3固态激光雷达不需要旋转？
Quanergy公司放出来的一些技术资料显示此固态激光雷达利用了 光学相控阵技术（ OPA optical phased array ） ，关键就在这项新技术上。
说到这里熟悉军事的朋友们可能已经有点明白了，现在军用的雷达已经基本从旋转大锅式进步到了相控阵雷达，相控阵雷达不需要旋转发射器，但探测的精度和速度却大大提高。
相控阵技术——全称相位控制阵列技术 ，相控阵发射器由若干发射接收单元组成一个矩形阵列，通过改变阵列中不同单元发射光线的相位差，可以达到调节射出波角度和方向的目的。下图是大概的工作原理。
一头雾水？其实我也是，后面找了些论文。这项技术的本质其实是一个大家都学过的物理现象—— 光栅衍射 。下面强行解释一下，涉及到了大学物理的光学知识，可能要勾起各位痛苦的回忆。
（杀脑细胞预警，大学物理痛苦过的可以跳到分割线以后）
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我们都知道光是一种波，波就具有衍射的特性（补课：衍射是波在传播中遇到障碍物，能够绕过障碍物继续前进的现象），单缝衍射现象如下图，其主极大明纹具有绝大多数能量。
平行光斜入射光栅衍射的示意图如下：
当一束平行光以A角度入射光栅，衍射后中央明纹角度为B，光栅常数为d。入射时，两束相邻光线已经有了光程差dsinA，而出射光程差为dsinB，由光栅衍射公式：
故通过改变不同缝中入射光线的
相位差
即可改变光栅衍射后
中央明纹（主瓣）
的位置。
这个公式就是相控阵技术的理论基础，相控阵技术可以通过电信号控制阵列中相邻发射光线的相位差，就可以达到改变模块整体发射激光的方向和角度，而成百上千的发射单元组成一个阵列，通过控制发射单元就能让一个平面实现3D空间的扫描，达到与旋转机械式雷达一样的效果。
与传统机械扫描技术的雷达相比，利用光学相控阵扫描技术的固态激光雷达有很多优势：
①结构简单、尺寸小： 由于不需要旋转部件，可以大大压缩雷达的结构和尺寸，提高使用寿命，并降低成本。
②标定简单： 机械式激光雷达由于光学结构固定，适配不同车辆往往需要精密调节其位置和角度，固态激光雷达可以通过软件进行调节，大大降低了标定的难度。
③扫描速度快： 不用受制于机械旋转的速度和精度，光学相控阵的扫描速度取决于所用材料的电子学特性，一般都可以达到MHz量级。
④扫描精度高： 光学相控阵的扫描精度取决于控制电信号的精度，可以达到千分之一度量级以上。
⑤可控性好： 光学相控阵的光束指向完全由电信号控制，在允许的角度范围内可以做到任意指向，可以在重点区域进行高密度的扫描。
⑥多目标监控： 一个相控阵面可以分割为多个小模块，每个模块分开控制即可同时锁定监控多个目标。
但固态激光雷达也有它相应的缺点：
①扫描角度有限： 根据上面推倒的公式，调节相位最多只能让中央明纹改变±60°左右， 因此要实现全方位扫描，需在不同方向布置多个（至少前后两个）固态激光雷达。
②旁瓣问题： 光栅衍射除了中央明纹外还会形成其他明纹，这一问题会让激光在最大功率方向以外形成旁瓣，分散激光的能量。
③加工难度高： 光学相控阵要求阵列单元尺寸必须不大于半个波长，一般目前激光雷达的工作波长均在1微米左右，故阵列单元的尺寸必须不大于500nm。而且阵列密度越高，能量也越集中，这都提高了对加工精度的要求，需要一定的技术突破。
④接收面大、信噪比差： 传统机械雷达只需要很小的接收窗口，但固态激光雷达却需要一整个接收面，因此会引入较多的环境光噪声，增加了扫描解析的难度。
纵使还有很多不足，现在也还没有量产，但固态激光雷达低成本、小尺寸的巨大优势无疑规避了传统的机械式激光雷达的很多不足，而这些优势也让Quanergy备受投资者的青睐。我们有理由相信近年内，固态激光雷达就将以一个颠覆者的身份出现在自动驾驶领域，为自动驾驶、无人驾驶的普及带来福音，那时候无人驾驶汽车或许也不用再顶个球了。
