0 引言

        激光雷达具有精确测距、高度自动化及较强的抗干扰能力，广泛应用于自动驾驶[1] 、传感器[2]、机器人、航天[3-4]、军事、航海等领域。与传统机械激光雷达相比，固态激光雷达因具有结构简单、扫描精度高、可控性好、速度快等优势而受到广泛研究。传统激光雷达系统采用机械结构实现光束转向，例如旋转激光雷达，光束转向速度、可靠性以及系统整体体积都受到机械装置的限制。非机械光束转向方案使用了多种器件或技术，包括光学相控阵（OPA）[5-7]、微机电系统（MEMS）[8]、反射镜[9]、液晶器件[10]、透镜辅助光束偏转（LABS）[11-18]等。其中，基于OPA的波束控制结构相对复杂，对模拟控制的精确度要求较高且对旁瓣抑制能力有限；基于MEMS反射镜的光束转向存在有限的转向速度和潜在的机械疲劳问题。LABS技术基于透镜的成像原理，通过在透镜的焦平面上排布发射单元阵列，由集成光开关将输入光引导到某一选定的发射单元，最后发出的光束照射到透镜，被透镜准直并实现角度偏转。对于光束的发射和接收，收发一体的装置可以共用收发系统。文献[19-21]提出了一种由光栅发射器和周围的U形光电探测器（PD）组成收发器阵列的方法，这种方法能够实现收发一体的光束操控。然而，这种阵列的实现过程较为复杂，阵列规模相对较小，还存在漏光问题。针对光开关的切换控制，文献[22]曾采用脉冲宽度调制（PWM）方式，但这种方式响应速度慢、电压控制精度较低，很难满足激光雷达快速切换的需求。基于此，本文提出一种基于LABS技术和现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的固态激光雷达测距方案，所需的电控功耗复杂度为O（log2N）。

3 结束语

        本文提出了一种基于LABS技术和FPGA的固态激光雷达测距系统。根据LABS方案每一级只有一个光开关工作的特点，本文使用了选通型的光开关控制系统，实现了O（log2N）的控制复杂度和功耗，这优于其它集成固态光束扫描方案（如光相控阵）在复杂度和功耗方面的性能。光束扫描部分采用FPGA结合外围电路控制二叉树结构级联光开关阵列的方式，可以实现光束的高速扫描，光开关的上升时间约为1.153 ms，下降时间约为1.037 ms。该激光雷达测距系统具有功耗低、扫描速度快、光束质量良好、结构紧凑等优势，在最大测量距离为9.2 m的情况下，测距误差小于1 cm。未来研究中，可以考虑使用氮化硅或硅光等平台，实现微秒级甚至纳秒级的开关速率，或者结合调频连续波的相干探测方式来实现对目标物体距离和速度的同时测量。总之，本文为高性能全固态激光雷达走向实际应用提供了重要的理论依据和技术支持。