激光雷達：從光電技術角度看自動駕駛（二）

發布時間：2020-10-06 16:23 原文鏈接：激光雷達：從光電技術角度看自動駕駛（二）

大氣衰減（在所有天氣條件下）、空氣中粒子的散射以及目標表面的反射率都與波長有關。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雜的問題。在大多數實際情況下，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射的光子可以到達光電探測器的有效區域。如果大氣衰減沿脈沖路徑不變化，激光光束發散度可忽略不計，光斑尺寸小于目標，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是發射激光脈沖的光峰值功率，ρ是目標的反射率，A0是接收器孔徑面積，η0是光學系統透過率，γ是大氣消光系數。

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，R=100 m，探測器的活動區域上返回光子的數量大約是幾百到幾千，而通常發射的光子超過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。

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在一輛汽車周圍360°×20°的區域內創建一張完整的3D地圖需要一束經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據。前者被稱為掃描（scanning）激光雷達，后者稱為閃光（flash）激光雷達。

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的速度旋轉并發射出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境惡劣時的故障風險。

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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（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、可實現度高而受到人們的關注。

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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成。光束轉向是通過獨立地控制每個單元發光時的相位和振幅來實現，從而于遠場處干涉產生理想照明方向，實現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量：一旦距離超過數十米，返回光的數量就太少，無法進行可靠的探測。如果不是直接用光覆蓋所有探測環境而是采用結構光的形式（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，垂直腔面發射激光器(VCSELs)使得在不同方向同時發射數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

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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，而閾值觸發則會產生Δt的測量誤差。因此，調頻連續波（FMCW）激光雷達是一種很有意義的替代方法。

在FMCW雷達或啁啾調制雷達中，天線連續發射頻率被調制的無線電波。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的移動物體上反射回發射點，其瞬時頻率將與該瞬間發射的無線電波不同。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。可以通過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）。