MEMS激光雷達(dá)突出的缺點(diǎn)是什么？

道路行駛中激光雷達(dá)（LiDAR）很容易被污染物遮蔽
車輛在雨雪、多塵的天氣行駛時(shí)，前擋風(fēng)玻璃以及前大燈都會(huì)覆上雨雪、塵土或者其它顆粒物。另外，在夏季夜間跑過(guò)高速公路的司機(jī)都很了解，跑完高速車頭都會(huì)布滿各種昆蟲的尸體。這些遮蔽物會(huì)阻擋司機(jī)的視線，以及前大燈的照明效果。幸好，現(xiàn)在的汽車都配有雨刮器，高端車型還配有大燈清洗系統(tǒng)。當(dāng)雨雪、灰塵、昆蟲尸體或其它顆粒物遮蔽激光雷達(dá)窗口時(shí)，這些環(huán)境遮蔽物勢(shì)必也會(huì)阻擋或偏轉(zhuǎn)激光束，從而降低傳感器的“能見度”。那么，這些影響有多大呢？
多光束Flash激光雷達(dá)創(chuàng)新廠商Ouster分析了激光雷達(dá)光學(xué)孔徑，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分享了如何利用更大的光學(xué)孔徑，最小化遮蔽物的影響。

清洗后沾滿水滴的Ouster激光雷達(dá)OS1，水滴對(duì)光線有折射作用

什么是光學(xué)孔徑？為什么它很重要？
相機(jī)鏡頭可以看成激光雷達(dá)鏡頭的簡(jiǎn)化版本，我們可以先從相機(jī)鏡頭獲得一些直觀感受。在相機(jī)中，光圈是指控制從鏡頭系統(tǒng)到圖像傳感器進(jìn)光量的開口。光圈通常位于鏡頭內(nèi)部的深處，但打開和關(guān)閉光圈也會(huì)影響前透鏡表面上光收集區(qū)域的大小。這被稱為“前透鏡光圈”，在光學(xué)設(shè)計(jì)圈中也稱為“入射光瞳”，在本文中，光學(xué)孔徑指的是前透鏡光圈，而不是深處鏡頭內(nèi)部的機(jī)械光圈。
光學(xué)孔徑的大小會(huì)影響遮蔽物對(duì)圖像傳感器的影響。如果一個(gè)不透明的遮蔽物（如泥巴或蟲子）大于光學(xué)孔徑，那么它會(huì)完全遮擋光圈，從而使相機(jī)“失明”。如果光學(xué)孔徑大于遮蔽物，那么入射光只會(huì)部分衰減，只會(huì)對(duì)成像顯示產(chǎn)生部分影響。

相機(jī)鏡頭被部分遮蔽，相對(duì)較大的光圈可以通過(guò)光線，對(duì)成像產(chǎn)生部分影響

在Ouster的激光雷達(dá)傳感器中，透鏡系統(tǒng)對(duì)VCSEL激光器進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)展。當(dāng)激光束從透鏡系統(tǒng)射出時(shí)，光學(xué)孔徑與激光束的直徑直接相關(guān)。而在接收端，光的傳播方向相反，但和相機(jī)一樣，它也有一個(gè)光學(xué)孔徑，光在聚焦到探測(cè)器陣列之前會(huì)通過(guò)。
與相機(jī)鏡頭類似，光學(xué)孔徑較小的激光雷達(dá)傳感器對(duì)遮蔽物的彈性較小。不透明或有折射影響的遮蔽物（如雨滴，可以偏轉(zhuǎn)激光束），會(huì)使激光雷達(dá)信號(hào)衰減，從而降低像素的捕捉范圍。而當(dāng)光學(xué)孔徑較大時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度只會(huì)部分衰減而不是完全阻擋，對(duì)點(diǎn)云的影響較小。

小光學(xué)孔徑更容易受到遮蔽物的影響

也就是說(shuō)，對(duì)于揚(yáng)塵、雨雪、泥污等其它遮蔽物會(huì)出現(xiàn)的行車環(huán)境，小光學(xué)孔徑對(duì)于所有相機(jī)或激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)都會(huì)有影響。
昆蟲尸體問題現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試！
對(duì)此，Ouster進(jìn)行了一系列的測(cè)試，以證明OS1的大光學(xué)孔徑是如何降低較大遮蔽物（如大昆蟲尸體）的影響。
Ouster的測(cè)試裝置包括一個(gè)OS1-64激光雷達(dá)傳感器，和一個(gè)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的10%反射率的朗伯表面。為了測(cè)試性能，Ouster采用干凈的傳感器窗口收集了激光脈沖的返回強(qiáng)度。然后，用直徑為5毫米的“昆蟲”貼在面向朗伯表面的傳感器窗口上，再次測(cè)量激光脈沖的返回強(qiáng)度。將這兩個(gè)值進(jìn)行比較，以確定“昆蟲”對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響。
為了測(cè)量不同范圍內(nèi)的強(qiáng)度衰減，Ouster將激光雷達(dá)傳感器放在不同的距離重復(fù)了測(cè)試過(guò)程。

Ouster激光雷達(dá)OS1和經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的10%反射率朗伯表面，并在6米、12米和18米距離處進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn)

Ouster使用貼紙來(lái)模擬遮蔽物對(duì)激光雷達(dá)性能的影響

通過(guò)Ouster Studio軟件，在點(diǎn)云圖中突出顯示朗伯表面及捕捉的強(qiáng)度值

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

縱坐標(biāo)為強(qiáng)度值，橫坐標(biāo)為不同的測(cè)試距離（6米、12米和18米）

上表計(jì)算了不同測(cè)試距離時(shí)，遮蔽物對(duì)強(qiáng)度衰減及預(yù)期探測(cè)距離的影響

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，即使OS1-64貼上了不透明的遮蔽物，傳感器仍然具有探測(cè)能力，不過(guò)捕捉強(qiáng)度有所降低。這也是可以理解的，因?yàn)橐粋€(gè)5毫米的遮蔽物只能遮擋一小部分光學(xué)孔徑，但是會(huì)使光子的有效探測(cè)距離減少約15%。Ouster的大光學(xué)孔徑可以確保足夠的光束繞過(guò)遮蔽物進(jìn)入到探測(cè)器陣列，因此對(duì)最大探測(cè)距離的影響相對(duì)較小。
MEMS微鏡的問題

相比之下，略大些的昆蟲就可以完全遮擋MEMS微鏡較小的光學(xué)孔徑

MEMS激光雷達(dá)有一個(gè)突出的缺點(diǎn)，其振蕩微鏡組件的光學(xué)孔徑只有1~4毫米。相比之下，Ouster的多光束Flash激光雷達(dá)的光學(xué)孔徑直徑可以達(dá)到2~10倍，面積則能達(dá)到4~100倍，因此，對(duì)于遮蔽物的魯棒性也同樣更高。
MEMS激光雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)激光束的掃描，其光學(xué)孔徑主要受反射鏡的尺寸限制。直觀地說(shuō)，加大反射鏡的尺寸是提高M(jìn)EMS系統(tǒng)光學(xué)孔徑的一個(gè)簡(jiǎn)單方法，不過(guò)，事實(shí)上，大尺寸MEMS反射鏡在快速振蕩時(shí)存在一些原生問題，需要在視場(chǎng)、幀速率和可靠性之間做權(quán)衡，因此很少有制造商會(huì)這么做。
Ouster將進(jìn)一步擴(kuò)大優(yōu)勢(shì)
對(duì)于遮蔽物的魯棒性，在探測(cè)距離、分辨率和視場(chǎng)等性能指標(biāo)面前，往往會(huì)被忽視。但這些特性對(duì)于安全關(guān)鍵性應(yīng)用往往非常重要，一只甲蟲就可能帶來(lái)很大麻煩。Ouster在激光雷達(dá)設(shè)計(jì)之初就充分考慮到了這一點(diǎn)，并且，最新的OS2進(jìn)一步提高了這種魯棒性。OS2的光學(xué)孔徑達(dá)到了OS1的兩倍，對(duì)于遮蔽物的魯棒性更好，可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的環(huán)境感知。敬請(qǐng)期待Ouster今年晚些時(shí)候的新品發(fā)布！
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