一文了解自動駕駛汽車激光雷達的部件功能

據(jù)外媒報道，自動駕駛車輛配置的多款攝像頭，旨在用該設備探查道路上的障礙物并繪制車輛周邊環(huán)境。在各類傳感器中，在功能方面，激光雷達傳感器與人眼最為接近，其光探測和測距系統(tǒng)(detection and ranging system)與雷達類似，但其采用了光波替代了無線電波(radio waves)。

激光雷達系統(tǒng)利用激光脈沖信號“照亮(illuminate)”目標區(qū)域，并計算反射信號返回接收器的用時。該類系統(tǒng)由光源、光電探測器、數(shù)據(jù)處理電子器件及運動控制設備。

自動駕駛車輛大體采用了兩類激光雷達設備，其分類依據(jù)為掃描車輛周邊環(huán)境時所采用的方式，其中：

1.3D閃光式激光雷達(3D flash LiDAR)由寬視角源及廣視角光學件構(gòu)成，旨在聚焦探查設備一次曝光(one exposure)上的所有反射光。

2.掃描式激光雷達系統(tǒng)可向各個方向發(fā)射激光，逐個探查回響(echoes)以便繪制車輛周邊環(huán)境。

激光源(laser source)對激光雷達性能將起到最關鍵的作用，激光束的品質(zhì)及發(fā)散(divergence)在高側(cè)向分辨率(high lateral resolution)方面將起到重要作用。較短的激光脈沖持續(xù)時間(laser pulse duration)和低時間抖動(low timing jitter)可確保良好的縱向精度(longitudinal accuracy)。對獲取遠程搜索(long-range detection)，脈沖能量(Pulse energy)是一項重要參數(shù)。此外，高脈沖重復頻率(high pulse repetition rates)可提升掃描速度，從而實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)輸出。

600 nm-1000 nm的波長通常被用于非科研應用。人眼對該波段的波長較為敏感。激光雷達系統(tǒng)的運行波長為905 nm，限制其探測范圍。而1.5 um紅外激光器可作為替代品，用于探查遠距離的固體及障礙物，因為該類光不會被人眼吸收，其實用于高性能應用。此外，該波長的光在大氣環(huán)境下通常呈透明的，可被用于高效能的探測器。

脈沖持續(xù)時間是實現(xiàn)高性能的另一關鍵性因素。許多短序列脈沖持續(xù)時間只有數(shù)皮秒(picoseconds)，有助于實現(xiàn)毫米級到厘米級縱向分辨率(longitudinal resolution)。

然而，該脈沖較短，容易引起激光光譜(laser spectrum)的增寬，從而降低信號噪聲比(signal-to-noise ratio，SNR)。盡管持續(xù)時間超過1納秒(nanosecond)的脈沖可消除噪聲，但同樣會降低系統(tǒng)的分辨率。為在高縱向精度與良好的SNR中取得平衡，當前脈沖持續(xù)時間為數(shù)百皮秒。

激光器二極管與光纖激光器(Laser-diodes and fiber-lasers)通常被用于激光雷達系統(tǒng)中。激光器二極管光源通常采用縱向堆棧，這意味著將新增一個堆棧層，使得激光能量(laser powers)超過1級視力安全激光器的激光能量。

若用垂直腔(vertical-cavity)面發(fā)射激光器(surface-emitting laser)，可降低總輸出功率，并降低該系統(tǒng)功能運轉(zhuǎn)的最大距離。而光線激光器所提供的脈沖重復頻率：當功率等級為10 W時，脈沖重復速率為5 kHz。當功率等級為300 W時，脈沖重復速率為250 kHz。然而，相較于脈沖二極管系統(tǒng)(pulsed-diode systems)，該類系統(tǒng)較為昂貴。

激光雷達務必含有視力安全波長，且能夠在黑暗中探查到100米外的目標物，探查精度為10厘米，操作溫度在零下40攝氏度到85攝氏度。