激光雷達(dá)：從光電技術(shù)角度看自動(dòng)駕駛

　　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(duì)傳感器融合的需要，也對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)的同步運(yùn)行，可以讓完全自動(dòng)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(xiǎn)，甚至采取獨(dú)立于駕駛員的躲避行動(dòng)以防止碰撞。

　　自動(dòng)駕駛汽車還必須在高速狀態(tài)下區(qū)分和識(shí)別前方的物體。通過測距技術(shù)，這些自動(dòng)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(dòng)駕駛車輛到目標(biāo)再返回車輛的往返飛行時(shí)間(ToF)。當(dāng)知道“脈沖”通過空氣的速度時(shí)，就可以計(jì)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))。

　　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?yàn)樗哂懈〉难苌涮匦院凸馐l(fā)散度，可以比微波雷達(dá)更好地識(shí)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(shí)間來應(yīng)對(duì)潛在的危險(xiǎn)，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(shí)間為τ的脈沖，在發(fā)射瞬間觸發(fā)定時(shí)電路中的內(nèi)部時(shí)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(hào)輸出使時(shí)鐘停止計(jì)時(shí)。這種測量往返ToF Δt時(shí)間的方式可以計(jì)算到反射點(diǎn)的距離R。

　　如果激光和光電探測器實(shí)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(duì)空氣來說大約為1)，影響距離分辨率ΔR的因素有兩個(gè)：測量Δt時(shí)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(gè)因素代表測距分辨率ΔR=1/2 cδΔτ，而以第二個(gè)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(shí)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(shí)間抖動(dòng)(δΔτ的主要貢獻(xiàn)因素)以及能夠發(fā)射短脈寬時(shí)間的脈沖激光器，例如相對(duì)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(shí)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(duì)汽車激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)：

　　· 對(duì)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(dòng)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。

　　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(gè)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(duì)于這些條件下汽車激光雷達(dá)波長的選擇來說是一個(gè)復(fù)雜的問題。在大多數(shù)實(shí)際情況下，905 nm處的光損失更小，因?yàn)樵?550 nm處的水分的吸收率比905 nm處要大。

　　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(jì)，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(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)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(gè)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)。