一文簡述自動駕駛車輛激光雷達的部件功能

據(jù)外媒報道，自動駕駛車輛配置的多款攝像頭，旨在用該設(shè)備探查道路上的障礙物并繪制車輛周邊環(huán)境。在各類傳感器中，在功能方面，激光雷達傳感器與人眼最為接近，其光探測和測距系統(tǒng)（detection and ranging system）與雷達類似，但其采用了光波替代了無線電波（radio waves）。

激光雷達系統(tǒng)利用激光脈沖信號“照亮（illuminate）”目標(biāo)區(qū)域，并計算反射信號返回接收器的用時。該類系統(tǒng)由光源、光電探測器、數(shù)據(jù)處理電子器件及運動控制設(shè)備。

自動駕駛車輛大體采用了兩類激光雷達設(shè)備，其分類依據(jù)為掃描車輛周邊環(huán)境時所采用的方式，其中：1、3D閃光式激光雷達（3D flash LiDAR）由寬視角源及廣視角光學(xué)件構(gòu)成，旨在聚焦探查設(shè)備一次曝光（one exposure）上的所有反射光。2、掃描式激光雷達系統(tǒng)可向各個方向發(fā)射激光，逐個探查回響（echoes）以便繪制車輛周邊環(huán)境。

激光源（laser source）對激光雷達性能將起到最關(guān)鍵的作用，激光束的品質(zhì)及發(fā)散（divergence）在高側(cè)向分辨率（high lateral resolution）方面將起到重要作用。較短的激光脈沖持續(xù)時間（laser pulse duration）和低時間抖動（low timing jitter）可確保良好的縱向精度（longitudinal accuracy）。對獲取遠程搜索（long－range detection），脈沖能量（Pulse energy）是一項重要參數(shù)。此外，高脈沖重復(fù)頻率（high pulse repetition rates）可提升掃描速度，從而實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)輸出。

600 nm－1000 nm的波長通常被用于非科研應(yīng)用。人眼對該波段的波長較為敏感。激光雷達系統(tǒng)的運行波長為905 nm，限制其探測范圍。而1．5 um紅外激光器可作為替代品，用于探查遠距離的固體及障礙物，因為該類光不會被人眼吸收，其實用于高性能應(yīng)用。此外，該波長的光在大氣環(huán)境下通常呈透明的，可被用于高效能的探測器。

脈沖持續(xù)時間是實現(xiàn)高性能的另一關(guān)鍵性因素。許多短序列脈沖持續(xù)時間只有數(shù)皮秒（picoseconds），有助于實現(xiàn)毫米級到厘米級縱向分辨率（longitudinal resolution）。

然而，該脈沖較短，容易引起激光光譜（laser spectrum）的增寬，從而降低信號噪聲比（signal－to－noise ratio，SNR）。盡管持續(xù)時間超過1納秒（nanosecond）的脈沖可消除噪聲，但同樣會降低系統(tǒng)的分辨率。為在高縱向精度與良好的SNR中取得平衡，當(dāng)前脈沖持續(xù)時間為數(shù)百皮秒。

激光器二極管與光纖激光器（Laser－diodes and fiber－lasers）通常被用于激光雷達系統(tǒng)中。激光器二極管光源通常采用縱向堆棧，這意味著將新增一個堆棧層，使得激光能量（laser powers）超過1級視力安全激光器的激光能量。

若用垂直腔（vertical－cavity）面發(fā)射激光器（surface－emitting laser），可降低總輸出功率，并降低該系統(tǒng)功能運轉(zhuǎn)的最大距離。而光線激光器所提供的脈沖重復(fù)頻率：當(dāng)功率等級為10 W時，脈沖重復(fù)速率為5 kHz。當(dāng)功率等級為300 W時，脈沖重復(fù)速率為250 kHz。然而，相較于脈沖二極管系統(tǒng)（pulsed－diode systems），該類系統(tǒng)較為昂貴。

激光雷達務(wù)必含有視力安全波長，且能夠在黑暗中探查到100米外的目標(biāo)物，探查精度為10厘米，操作溫度在零下40攝氏度到85攝氏度。

（作者：李文龍）

審核編輯 黃昊宇