激光雷達：從光電技術(shù)角度看自動駕駛

　　激光雷達和與之競爭的傳感器技術(shù)(相機、雷達和超聲波)加強了對傳感器融合的需要，也對認真謹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、光探測技術(shù)及測距技術(shù)(激光雷達)、電子技術(shù)和人工智能的進步，使數(shù)十種先進的駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)得以實現(xiàn)，包括防撞、盲點監(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的距離——脈沖可以是超聲波(聲納)、無線電波(雷達)或光(激光雷達)。

　　在這三種ToF技術(shù)中，激光雷達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)或透鏡孔徑大小(激光雷達)的比值。微波雷達這一比值較大，因此發(fā)散度更大，角度分辨率較低。圖中微波雷達(黑色)將無法區(qū)分這兩輛車，而激光雷達(紅色)可以。

　　對汽車激光雷達系統(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。

　　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云數(shù)據(jù)。前者被稱為掃描(scanning)激光雷達，后者稱為閃光(flash)激光雷達。