激光雷达：从光电技术角度看自动驾驶（二）

发布时间：2020-10-06 16:23 原文链接：激光雷达：从光电技术角度看自动驾驶（二）

大气衰减（在所有天气条件下）、空气中粒子的散射以及目标表面的反射率都与波长有关。由于有各种各样可能的天气条件和反射表面，对于这些条件下汽车激光雷达波长的选择来说是一个复杂的问题。在大多数实际情况下，905 nm处的光损失更小，因为在1550 nm处的水分的吸收率比905 nm处要大。1

光探测器的选择

只有一小部分脉冲发射的光子可以到达光电探测器的有效区域。如果大气衰减沿脉冲路径不变化，激光光束发散度可忽略不计，光斑尺寸小于目标，入射角垂直于探测器且反射体是朗伯体（所有方向均反射），则光接收峰值功率P(R)为：

P0是发射激光脉冲的光峰值功率，ρ是目标的反射率，A0是接收器孔径面积，η0是光学系统透过率，γ是大气消光系数。

该方程表明，随着距离R的增加，接收功率迅速减小。为了合理选择参数，R=100 m，探测器的活动区域上返回光子的数量大约是几百到几千，而通常发射的光子超过1012。这些回波光子与背景光子同时被探测，而背景光子没有任何有用信息。

采用窄带滤波器可以减少到达探测器的背景光，但不能减少到零，背景光的影响使检测动态范围减小，噪声（背景光子拍摄噪声）增大。值得注意的是，典型条件下地面太阳辐照度在1550 nm处小于905 nm。

飞行时间(ToF)激光雷达的基本原理示意

在一辆汽车周围360°×20°的区域内创建一张完整的3D地图需要一束经过光栅分光后进行扫描，或多束激光束扫描，再或者将光束整个覆盖住需要的范围并收集返回的点云数据。前者被称为扫描（scanning）激光雷达，后者称为闪光（flash）激光雷达。

扫描激光雷达有几种方式。第一种方式，以Velodyne为例（San Jose, CA），在顶部安装激光雷达平台，该雷达以300~900 rpm的速度旋转并发射出64路905 nm激光的脉冲。每束光束都有一个对应的雪崩光电二极管(APD)探测器。较类似的另一方法是使用旋转的多面镜，每个面的倾斜角度略有不同，从而以不同的方位角和斜角引导反射单个脉冲光束。这两种设计中的机械运动部件都有外部驾驶环境恶劣时的故障风险。

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第二种更紧凑的扫描激光雷达，其方法是使用一个微型微机电系统（MEMS）振镜，以二维的方向电引导出一束或多束光束。虽然在技术上仍然有运动部件（振荡镜），但振荡的幅度很小，频率也很高，足以防止MEMS振镜和汽车之间的机械共振。然而，振镜的几何尺寸限制了它的振荡幅度，这就使得视角变得有限——这是MEMS方法的一个缺点。然而，这种方法由于成本低、可实现度高而受到人们的关注。

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光学相控阵列（OPA）技术，是第三种参与竞争的激光雷达技术，它以可靠的“固定部件”设计而日益流行。它由相干光照明的光学天线组成的阵列构成。光束转向是通过独立地控制每个单元发光时的相位和振幅来实现，从而于远场处干涉产生理想照明方向，实现从单光束到多光束的变化。不幸的是，光的损失限制了各种OPA组件的可用范围。

闪光激光雷达将目标场景中充满光，而照明区域与探测器的视场相匹配。探测器是探测光学焦平面上的APDs阵列。每个APD独立测量其上图像目标特征的ToF。这是一种真正的“不移动部件”的方法，其中切线方向（垂直、水平）分辨率受到二维探测器像素尺寸的限制。

然而，闪光激光雷达的主要缺点是回波光子数量：一旦距离超过数十米，返回光的数量就太少，无法进行可靠的探测。如果不是直接用光覆盖所有探测环境而是采用结构光的形式（例如点阵形式），且牺牲一定的切线分辨率，则可以提高回波光强度。此外，垂直腔面发射激光器(VCSELs)使得在不同方向同时发射数千束光束的出射成为可能。

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摆脱ToF法的限制

ToF激光雷达由于其回波脉冲较弱、探测部分电子学设计的宽带较宽而容易受到噪声的影响，而阈值触发则会产生Δt的测量误差。因此，调频连续波（FMCW）激光雷达是一种很有意义的替代方法。

在FMCW雷达或啁啾调制雷达中，天线连续发射频率被调制的无线电波。例如，随着时间T从ƒ0线性增加到ƒmax，然后随着T从ƒmax线性减小至ƒ0。如果波在一定距离内的移动物体上反射回发射点，其瞬时频率将与该瞬间发射的无线电波不同。这一差别由两个因素导致：到物体的距离及其相对径向速度。可以通过电子测量方法得到频差，同时计算物体的距离和速度（见下图）。