激光雷達：從光電技術角度看自動駕駛

　　掃描激光雷達有幾種方式。第一種方式，以Velodyne為例(San Jose， CA)，在頂部安裝激光雷達平臺，該雷達以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反射單個脈沖光束。這兩種設計中的機械運動部件都有外部駕駛環(huán)境惡劣時的故障風險。

　　濱松新型百米級自動駕駛激光雷達探測器

　　16ch 硅APD S14137-01CR

　　第二種更緊湊的掃描激光雷達，其方法是使用一個微型微機電系統(tǒng)(MEMS)振鏡，以二維的方向電引導出一束或多束光束。雖然在技術上仍然有運動部件(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。然而，這種方法由于成本低、可實現(xiàn)度高而受到人們的關注。

　　濱松最新MEMS Mirror產(chǎn)品

　　在今年的慕尼黑上海光博會2018中展出

　　光學相控陣列(OPA)技術，是第三種參與競爭的激光雷達技術，它以可靠的“固定部件”設計而日益流行。它由相干光照明的光學天線組成的陣列構(gòu)成。光束轉(zhuǎn)向是通過獨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。

　　閃光激光雷達將目標場景中充滿光，而照明區(qū)域與探測器的視場相匹配。探測器是探測光學焦平面上的APDs陣列。每個APD獨立測量其上圖像目標特征的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，閃光激光雷達的主要缺點是回波光子數(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(例如點陣形式)，且犧牲一定的切線分辨率，則可以提高回波光強度。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的光半導體探測器對比

　　擺脫ToF法的限制

　　ToF激光雷達由于其回波脈沖較弱、探測部分電子學設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)激光雷達是一種很有意義的替代方法。

　　在FMCW雷達或啁啾調(diào)制雷達中，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?0線性增加到?max，然后隨著T從?max線性減小至?0。如果波在一定距離內(nèi)的移動物體上反射回發(fā)射點，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)。

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

　　在啁啾雷達的啟發(fā)下，F(xiàn)MCW激光雷達可以通過不同的方式獲得。在最簡單的設計中，人們可以啁啾地調(diào)節(jié)照亮目標的光強。這個頻率受FMCW雷達載波頻率的相同規(guī)律(例如多普勒效應)的影響，返回的光被光探測器探測到并恢復調(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，并由此計算出目標的距離及其速度。

　　但是FMCW激光雷達有一定的局限性，與ToF激光雷達相比，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。

　　雖然設計一種功能完善的激光雷達系統(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。