激光雷達(dá)和與之競爭的傳感器技術(shù)（相機(jī)、雷達(dá)和超聲波）加強(qiáng)了對傳感器融合的需要，也對認(rèn)真謹(jǐn)慎地選擇光電探測器、光源和MEMS振鏡提出了更高的要求。

 

傳感器技術(shù)、成像、雷達(dá)、光探測技術(shù)及測距技術(shù)（激光雷達(dá)）、電子技術(shù)和人工智能的進(jìn)步，使數(shù)十種先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）得以實現(xiàn)，包括防撞、盲點(diǎn)監(jiān)測、車道偏離預(yù)警和停車輔助等。通過傳感器融合實現(xiàn)這些系統(tǒng)的同步運(yùn)行，可以讓完全自動駕駛的車輛監(jiān)視周圍環(huán)境，并警告駕駛員潛在的道路危險，甚至采取獨(dú)立于駕駛員的躲避行動以防止碰撞。

 

自動駕駛汽車還必須在高速狀態(tài)下區(qū)分和識別前方的物體。通過測距技術(shù)，這些自動駕駛汽車必須快速構(gòu)建一張約100m距離內(nèi)的三維（3D）地圖，并在高達(dá)250m距離范圍內(nèi)創(chuàng)建高角分辨率的圖像。如果駕駛員不在場，車輛的人工智能必須做出最佳決策。

 

完成這一任務(wù)的幾種基本方法之一，就是測量能量脈沖從自動駕駛車輛到目標(biāo)再返回車輛的往返飛行時間（ToF）。當(dāng)知道“脈沖”通過空氣的速度時，就可以計算到反射點(diǎn)的距離——脈沖可以是超聲波（聲納）、無線電波（雷達(dá)）或光（激光雷達(dá)）。

 

 

美國西部光電展中濱松探測器激光雷達(dá)應(yīng)用演示

使用APD制成的DEMO即使用的ToF法

 

在這三種ToF技術(shù)中，激光雷達(dá)是提供更高角度分辨率圖像的最佳選擇，因為它具有更小的衍射特性和光束發(fā)散度，可以比微波雷達(dá)更好地識別相鄰物體。這種高角度分辨率在高速下尤為重要，可以提供足夠的時間來應(yīng)對潛在的危險，如迎面碰撞。

 

激光光源的選擇

 

在ToF激光雷達(dá)中，激光發(fā)射持續(xù)時間為τ的脈沖，在發(fā)射瞬間觸發(fā)定時電路中的內(nèi)部時鐘（下文有圖示）。從目標(biāo)反射的光脈沖到達(dá)光電探測器，轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電信號輸出使時鐘停止計時。這種測量往返ToF Δt時間的方式可以計算到反射點(diǎn)的距離R。

 

如果激光和光電探測器實際上位于同一位置，則距離由下公式確定：

 

中c是真空中光速，n是傳播介質(zhì)的折射率（對空氣來說大約為1），影響距離分辨率ΔR的因素有兩個：測量Δt時的不確定度δΔt和脈沖寬度的導(dǎo)致的空間誤差w（w = cτ）。

 

以第一個因素代表測距分辨率ΔR=1/2 cδΔτ，而以第二個代表測距分辨率ΔR=1/2 w = 1/2 cτ。如果以5cm的分辨率測量距離，上述關(guān)系式分別意味著δΔt大約為300ps，τ大約為300ps。

 

飛行時間激光雷達(dá)要求光電探測器和其后的電子學(xué)系統(tǒng)具有很小的時間抖動（δΔτ的主要貢獻(xiàn)因素）以及能夠發(fā)射短脈寬時間的脈沖激光器，例如相對昂貴的皮秒激光器。目前典型的汽車激光雷達(dá)系統(tǒng)中的激光器產(chǎn)生約4ns持續(xù)時間的脈沖，所以減小光束發(fā)散是必要的。

 

 

光束發(fā)散取決于波長和發(fā)射天線尺寸(微波雷達(dá))或透鏡孔徑大小(激光雷達(dá))的比值。微波雷達(dá)這一比值較大，因此發(fā)散度更大，角度分辨率較低。圖中微波雷達(dá)（黑色）將無法區(qū)分這兩輛車，而激光雷達(dá)（紅色）可以。

 

對汽車激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計者來說，最關(guān)鍵的選擇之一是光波長。制約這一選擇的因素有幾個：

 

· 對人類視覺的安全性

· 在大氣中的傳播特性

· 激光的可用性和光電探測器的可用性

 

兩種最流行的波長是905和1550 nm，905nm的主要優(yōu)點(diǎn)是硅在該波長處吸收光子，而硅基光電探測器通常比探測1550 nm光所需的銦鎵砷(InGaAs)近紅外探測器便宜。

 

可用于自動駕駛激光雷達(dá)的濱松近紅外MPPC（硅光電倍增管），在905nm處具有較高的探測效率，響應(yīng)速度快，工作溫度范圍寬，適合各種場合下的激光雷達(dá)應(yīng)用，尤其是使用TOF測距法的長距離測量。

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然而，1550nm的人類視覺安全度更高，可以使用單脈沖更大輻射能量的激光——這是光波長選擇的一個重要因素。

 

 

1550nm探測器

濱松InGaAs APD G8931

 

 

大氣衰減（在所有天氣條件下）、空氣中粒子的散射以及目標(biāo)表面的反射率都與波長有關(guān)。由于有各種各樣可能的天氣條件和反射表面，對于這些條件下汽車激光雷達(dá)波長的選擇來說是一個復(fù)雜的問題。在大多數(shù)實際情況下，905 nm處的光損失更小，因為在1550 nm處的水分的吸收率比905 nm處要大。1

 

光探測器的選擇

 

只有一小部分脈沖發(fā)射的光子可以到達(dá)光電探測器的有效區(qū)域。如果大氣衰減沿脈沖路徑不變化，激光光束發(fā)散度可忽略不計，光斑尺寸小于目標(biāo)，入射角垂直于探測器且反射體是朗伯體（所有方向均反射），則光接收峰值功率P(R)為：

 

 

P0是發(fā)射激光脈沖的光峰值功率，ρ是目標(biāo)的反射率，A0是接收器孔徑面積，η0是光學(xué)系統(tǒng)透過率，γ是大氣消光系數(shù)。

 

該方程表明，隨著距離R的增加，接收功率迅速減小。為了合理選擇參數(shù)，R=100 m，探測器的活動區(qū)域上返回光子的數(shù)量大約是幾百到幾千，而通常發(fā)射的光子超過1012。這些回波光子與背景光子同時被探測，而背景光子沒有任何有用信息。

 

采用窄帶濾波器可以減少到達(dá)探測器的背景光，但不能減少到零，背景光的影響使檢測動態(tài)范圍減小，噪聲（背景光子拍攝噪聲）增大。值得注意的是，典型條件下地面太陽輻照度在1550 nm處小于905 nm。

 

 

飛行時間(ToF)激光雷達(dá)的基本原理示意

 

在一輛汽車周圍360°×20°的區(qū)域內(nèi)創(chuàng)建一張完整的3D地圖需要一束經(jīng)過光柵分光后進(jìn)行掃描，或多束激光束掃描，再或者將光束整個覆蓋住需要的范圍并收集返回的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。前者被稱為掃描（scanning）激光雷達(dá)，后者稱為閃光（flash）激光雷達(dá)。

 

掃描激光雷達(dá)有幾種方式。第一種方式，以Velodyne為例（San Jose, CA），在頂部安裝激光雷達(dá)平臺，該雷達(dá)以300~900 rpm的速度旋轉(zhuǎn)并發(fā)射出64路905 nm激光的脈沖。每束光束都有一個對應(yīng)的雪崩光電二極管(APD)探測器。較類似的另一方法是使用旋轉(zhuǎn)的多面鏡，每個面的傾斜角度略有不同，從而以不同的方位角和斜角引導(dǎo)反射單個脈沖光束。這兩種設(shè)計中的機(jī)械運(yùn)動部件都有外部駕駛環(huán)境惡劣時的故障風(fēng)險。

 

 

濱松新型百米級自動駕駛激光雷達(dá)探測器

16ch 硅APD S14137-01CR

 

第二種更緊湊的掃描激光雷達(dá)，其方法是使用一個微型微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）振鏡，以二維的方向電引導(dǎo)出一束或多束光束。雖然在技術(shù)上仍然有運(yùn)動部件（振蕩鏡），但振蕩的幅度很小，頻率也很高，足以防止MEMS振鏡和汽車之間的機(jī)械共振。然而，振鏡的幾何尺寸限制了它的振蕩幅度，這就使得視角變得有限——這是MEMS方法的一個缺點(diǎn)。然而，這種方法由于成本低、可實現(xiàn)度高而受到人們的關(guān)注。

 

 

濱松最新MEMS Mirror產(chǎn)品

剛剛在慕尼黑上海光博會中展出

 

光學(xué)相控陣列（OPA）技術(shù)，是第三種參與競爭的激光雷達(dá)技術(shù)，它以可靠的“固定部件”設(shè)計而日益流行。它由相干光照明的光學(xué)天線組成的陣列構(gòu)成。光束轉(zhuǎn)向是通過獨(dú)立地控制每個單元發(fā)光時的相位和振幅來實現(xiàn)，從而于遠(yuǎn)場處干涉產(chǎn)生理想照明方向，實現(xiàn)從單光束到多光束的變化。不幸的是，光的損失限制了各種OPA組件的可用范圍。

 

閃光激光雷達(dá)將目標(biāo)場景中充滿光，而照明區(qū)域與探測器的視場相匹配。探測器是探測光學(xué)焦平面上的APDs陣列。每個APD獨(dú)立測量其上圖像目標(biāo)特征的ToF。這是一種真正的“不移動部件”的方法，其中切線方向（垂直、水平）分辨率受到二維探測器像素尺寸的限制。

 

然而，閃光激光雷達(dá)的主要缺點(diǎn)是回波光子數(shù)量：一旦距離超過數(shù)十米，返回光的數(shù)量就太少，無法進(jìn)行可靠的探測。如果不是直接用光覆蓋所有探測環(huán)境而是采用結(jié)構(gòu)光的形式（例如點(diǎn)陣形式），且犧牲一定的切線分辨率，則可以提高回波光強(qiáng)度。此外，垂直腔面發(fā)射激光器(VCSELs)使得在不同方向同時發(fā)射數(shù)千束光束的出射成為可能。

 

濱松可用于激光雷達(dá)的光半導(dǎo)體探測器對比

 

報告：面向自動駕駛Lidar的核心半導(dǎo)體器件介紹

 

擺脫ToF法的限制

 

ToF激光雷達(dá)由于其回波脈沖較弱、探測部分電子學(xué)設(shè)計的寬帶較寬而容易受到噪聲的影響，而閾值觸發(fā)則會產(chǎn)生Δt的測量誤差。因此，調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)是一種很有意義的替代方法。

 

在FMCW雷達(dá)或啁啾調(diào)制雷達(dá)中，天線連續(xù)發(fā)射頻率被調(diào)制的無線電波。例如，隨著時間T從ƒ0線性增加到ƒmax，然后隨著T從ƒmax線性減小至ƒ0。如果波在一定距離內(nèi)的移動物體上反射回發(fā)射點(diǎn)，其瞬時頻率將與該瞬間發(fā)射的無線電波不同。這一差別由兩個因素導(dǎo)致：到物體的距離及其相對徑向速度?？梢酝ㄟ^電子測量方法得到頻差，同時計算物體的距離和速度（見下圖）。

 

在啁啾雷達(dá)中，通過電子測量fB1和fB2，可以確定與反射目標(biāo)的距離及其徑向速度。

 

在啁啾雷達(dá)的啟發(fā)下，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)可以通過不同的方式獲得。在最簡單的設(shè)計中，人們可以啁啾地調(diào)節(jié)照亮目標(biāo)的光強(qiáng)。這個頻率受FMCW雷達(dá)載波頻率的相同規(guī)律(例如多普勒效應(yīng))的影響，返回的光被光探測器探測到并恢復(fù)調(diào)制頻率，輸出被放大并與本身振蕩頻率混頻從而允許測量頻移，并由此計算出目標(biāo)的距離及其速度。

 

但是FMCW激光雷達(dá)有一定的局限性，與ToF激光雷達(dá)相比，它需要更多的計算能力，因此在生成全三維環(huán)繞圖時速度較慢，而且測量精度對啁啾時調(diào)制時的線性度程度非常敏感。

 

雖然設(shè)計一種功能完善的激光雷達(dá)系統(tǒng)具有挑戰(zhàn)性，但這些挑戰(zhàn)都不是不可克服的。隨著研究的繼續(xù)，我們越來越接近于大多數(shù)汽車生產(chǎn)結(jié)束后就能夠完全自動化的時代。