雷射雷達：從光電技術角度看自動駕駛

雷射雷達和與之競爭的感測器技術(相機、雷達和超聲波)加強了對感測器融合的需要， 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。

感測器技術、成像、雷達、光探測技術及測距技術(雷射雷達)、電子技術和人工智慧的進步， 使數十種先進的駕駛員輔助系統(ADAS)得以實現， 包括防撞、盲點監測、車道偏離預警和停車輔助等。 通過感測器融合實現這些系統的同步運行， 可以讓完全自動駕駛的車輛監視周圍環境， 並警告駕駛員潛在的道路危險， 甚至採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下區分和識別前方的物體。 通過測距技術， 這些自動駕駛汽車必須快速構建一張約100m距離內的三維(3D)地圖， 並在高達250m距離範圍內創建高角解析度的圖像。 如果駕駛員不在場， 車輛的人工智慧必須做出最佳決策。

完成這一任務的幾種基本方法之一， 就是測量能量脈衝從自動駕駛車輛到目標再返回車輛的往返飛行時間(ToF)。 當知道“脈衝”通過空氣的速度時， 就可以計算到反射點的距離——脈衝可以是超聲波(聲納)、無線電波(雷達)或光(雷射雷達)。

在這三種ToF技術中， 雷射雷達是提供更高角度解析度圖像的最佳選擇， 因為它具有更小的衍射特性和光束發散度， 可以比微波雷達更好地識別相鄰物體。

這種高角度解析度在高速下尤為重要， 可以提供足夠的時間來應對潛在的危險， 如迎面碰撞。

鐳射光源的選擇

在ToF雷射雷達中， 鐳射發射持續時間為τ的脈衝， 在發射瞬間觸發定時電路中的內部時鐘(下文有圖示)。 從目標反射的光脈衝到達光電探測器， 轉換產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。

如果鐳射和光電探測器實際上位於同一位置， 則距離由下公式確定：

中c是真空中光速， n是傳播介質的折射率(對空氣來說大約為1)， 影響距離解析度ΔR的因素有兩個：測量Δt時的不確定度δΔt和脈衝寬度的導致的空間誤差w(w = cτ)。

以第一個因素代表測距解析度ΔR=1/2 cδΔτ， 而以第二個代表測距解析度ΔR=1/2 w = 1/2 cτ。

如果以5cm的解析度測量距離， 上述關係式分別意味著δΔt大約為300ps， τ大約為300ps。

飛行時間雷射雷達要求光電探測器和其後的電子學系統具有很小的時間抖動(δΔτ的主要貢獻因素)以及能夠發射短脈寬時間的脈衝雷射器， 例如相對昂貴的皮秒雷射器。 目前典型的汽車雷射雷達系統中的雷射器產生約4ns持續時間的脈衝， 所以減小光束發散是必要的。

光束發散取決於波長和發射天線尺寸(微波雷達)或透鏡孔徑大小(雷射雷達)的比值。 微波雷達這一比值較大， 因此發散度更大， 角度解析度較低。 圖中微波雷達(黑色)將無法區分這兩輛車， 而雷射雷達(紅色)可以。

對汽車雷射雷達系統設計者來說， 最關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

· 鐳射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的主要優點是矽在該波長處吸收光子， 而矽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。

可用於自動駕駛雷射雷達的濱松近紅外MPPC(矽光電倍增管)， 在905nm處具有較高的探測效率， 回應速度快， 工作溫度範圍寬， 適合各種場合下的雷射雷達應用， 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， 可以使用單脈衝更大輻射能量的鐳射——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表面的反射率都與波長有關。

由於有各種各樣可能的天氣條件和反射表面， 對於這些條件下汽車雷射雷達波長的選擇來說是一個複雜的問題。 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。

光探測器的選擇

只有一小部分脈衝發射的光子可以到達光電探測器的有效區域。 如果大氣衰減沿脈衝路徑不變化， 鐳射光束發散度可忽略不計， 光斑尺寸小於目標， 入射角垂直於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是發射雷射脈衝的光峰值功率， 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是大氣消光係數。

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資訊。

採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範圍減小，雜訊(背景光子拍攝雜訊)增大。值得注意的是，典型條件下地面太陽輻照度在1550 nm處小於905 nm。

飛行時間(ToF)雷射雷達的基本原理示意

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後進行掃描，或多束雷射光束掃描，再或者將光束整個覆蓋住需要的範圍並收集返回的點雲資料。前者被稱為掃描(scanning)雷射雷達，後者稱為閃光(flash)雷射雷達。

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資訊。

採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範圍減小，雜訊(背景光子拍攝雜訊)增大。值得注意的是，典型條件下地面太陽輻照度在1550 nm處小於905 nm。

飛行時間(ToF)雷射雷達的基本原理示意

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後進行掃描，或多束雷射光束掃描，再或者將光束整個覆蓋住需要的範圍並收集返回的點雲資料。前者被稱為掃描(scanning)雷射雷達，後者稱為閃光(flash)雷射雷達。