自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵技術(shù)就靠它們了

# 激光雷達(dá)：從光電技術(shù)角度看自動(dòng)駕駛

激光雷達(dá)和與之競爭的傳感器技術(shù)（相機(jī)、雷達(dá)和超聲波）加強(qiáng)了對(duì)傳感器融合的需要，也對(duì)認(rèn)真謹(jǐn)慎地選擇光電探測(cè)器、光源和MEMS振鏡提出了更高的要求。

傳感器技術(shù)、成像、雷達(dá)、光探測(cè)技術(shù)及測(cè)距技術(shù)（激光雷達(dá)）、電子技術(shù)和人工智能的進(jìn)步，使數(shù)十種先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）得以實(shí)現(xiàn)，包括防撞、盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)、車道偏離預(yù)警和停車輔助等。通過傳感器融合實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)的同步運(yùn)行，可以讓完全自動(dòng)駕駛的車輛監(jiān)視周圍環(huán)境，并警告駕駛員潛在的道路危險(xiǎn)，甚至采取獨(dú)立于駕駛員的躲避行動(dòng)以防止碰撞。

自動(dòng)駕駛汽車還必須在高速狀態(tài)下區(qū)分和識(shí)別前方的物體。通過測(cè)距技術(shù)，這些自動(dòng)駕駛汽車必須快速構(gòu)建一張約100m距離內(nèi)的三維（3D）地圖，并在高達(dá)250m距離范圍內(nèi)創(chuàng)建高角分辨率的圖像。如果駕駛員不在場(chǎng)，車輛的人工智能必須做出最佳決策。

完成這一任務(wù)的幾種基本方法之一，就是測(cè)量能量脈沖從自動(dòng)駕駛車輛到目標(biāo)再返回車輛的往返飛行時(shí)間（ToF）。當(dāng)知道“脈沖”通過空氣的速度時(shí)，就可以計(jì)算到反射點(diǎn)的距離——脈沖可以是超聲波（聲納）、無線電波（雷達(dá)）或光（激光雷達(dá)）。

在這三種ToF技術(shù)中，激光雷達(dá)是提供更高角度分辨率圖像的最佳選擇，因?yàn)樗哂懈〉难苌涮匦院凸馐l(fā)散度，可以比微波雷達(dá)更好地識(shí)別相鄰物體。這種高角度分辨率在高速下尤為重要，可以提供足夠的時(shí)間來應(yīng)對(duì)潛在的危險(xiǎn)，如迎面碰撞。

#激光光源的選擇

在ToF激光雷達(dá)中，激光發(fā)射持續(xù)時(shí)間為τ的脈沖，在發(fā)射瞬間觸發(fā)定時(shí)電路中的內(nèi)部時(shí)鐘（下文有圖示）。從目標(biāo)反射的光脈沖到達(dá)光電探測(cè)器，轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電信號(hào)輸出使時(shí)鐘停止計(jì)時(shí)。這種測(cè)量往返ToF Δt時(shí)間的方式可以計(jì)算到反射點(diǎn)的距離R。

如果激光和光電探測(cè)器實(shí)際上位于同一位置，則距離由下公式確定：

中c是真空中光速，n是傳播介質(zhì)的折射率（對(duì)空氣來說大約為1），影響距離分辨率ΔR的因素有兩個(gè)：測(cè)量Δt時(shí)的不確定度δΔt和脈沖寬度的導(dǎo)致的空間誤差w（w = cτ）。

以第一個(gè)因素代表測(cè)距分辨率ΔR=1/2 cδΔτ，而以第二個(gè)代表測(cè)距分辨率ΔR=1/2 w = 1/2 cτ。如果以5cm的分辨率測(cè)量距離，上述關(guān)系式分別意味著δΔt大約為300ps，τ大約為300ps。

飛行時(shí)間激光雷達(dá)要求光電探測(cè)器和其后的電子學(xué)系統(tǒng)具有很小的時(shí)間抖動(dòng)（δΔτ的主要貢獻(xiàn)因素）以及能夠發(fā)射短脈寬時(shí)間的脈沖激光器，例如相對(duì)昂貴的皮秒激光器。目前典型的汽車激光雷達(dá)系統(tǒng)中的激光器產(chǎn)生約4ns持續(xù)時(shí)間的脈沖，所以減小光束發(fā)散是必要的。

光束發(fā)散取決于波長和發(fā)射天線尺寸(微波雷達(dá))或透鏡孔徑大小(激光雷達(dá))的比值。微波雷達(dá)這一比值較大，因此發(fā)散度更大，角度分辨率較低。圖中微波雷達(dá)（黑色）將無法區(qū)分這兩輛車，而激光雷達(dá)（紅色）可以。

對(duì)汽車激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來說，最關(guān)鍵的選擇之一是光波長。制約這一選擇的因素有幾個(gè)：

· 對(duì)人類視覺的安全性

· 在大氣中的傳播特性

· 激光的可用性和光電探測(cè)器的可用性

兩種最流行的波長是905和1550 nm，905nm的主要優(yōu)點(diǎn)是硅在該波長處吸收光子，而硅基光電探測(cè)器通常比探測(cè)1550 nm光所需的銦鎵砷(InGaAs)近紅外探測(cè)器便宜。

可用于自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)的濱松近紅外MPPC（硅光電倍增管），在905nm處具有較高的探測(cè)效率，響應(yīng)速度快，工作溫度范圍寬，適合各種場(chǎng)合下的激光雷達(dá)應(yīng)用，尤其是使用TOF測(cè)距法的長距離測(cè)量。

詳情點(diǎn)擊：無人駕駛中的激光雷達(dá)技術(shù)——濱松的激光之眼

然而，1550nm的人類視覺安全度更高，可以使用單脈沖更大輻射能量的激光——這是光波長選擇的一個(gè)重要因素。

1550nm探測(cè)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(biāo)表面的反射率都與波長有關(guān)。由于有各種各樣可能的天氣條件和反射表面，對(duì)于這些條件下汽車激光雷達(dá)波長的選擇來說是一個(gè)復(fù)雜的問題。在大多數(shù)實(shí)際情況下，905 nm處的光損失更小，因?yàn)樵?550 nm處的水分的吸收率比905 nm處要大。

#光探測(cè)器的選擇

只有一小部分脈沖發(fā)射的光子可以到達(dá)光電探測(cè)器的有效區(qū)域。如果大氣衰減沿脈沖路徑不變化，激光光束發(fā)散度可忽略不計(jì)，光斑尺寸小于目標(biāo)，入射角垂直于探測(cè)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(fā)射激光脈沖的光峰值功率，ρ是目標(biāo)的反射率，A0是接收器孔徑面積，η0是光學(xué)系統(tǒng)透過率，γ是大氣消光系數(shù)。

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(shù)，R=100 m，探測(cè)器的活動(dòng)區(qū)域上返回光子的數(shù)量大約是幾百到幾千，而通常發(fā)射的光子超過1012。這些回波光子與背景光子同時(shí)被探測(cè)，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(dá)探測(cè)器的背景光，但不能減少到零，背景光的影響使檢測(cè)動(dòng)態(tài)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。

飛行時(shí)間(ToF)激光雷達(dá)的基本原理示意

在一輛汽車周圍360°×20°的區(qū)域內(nèi)創(chuàng)建一張完整的3D地圖需要一束經(jīng)過光柵分光后進(jìn)行掃描，或多束激光束掃描，再或者將光束整個(gè)覆蓋住需要的范圍并收集返回的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。前者被稱為掃描（scanning）激光雷達(dá)，后者稱為閃光（flash）激光雷達(dá)。

采用窄帶濾波器可以減少到達(dá)探測(cè)器的背景光，但不能減少到零，背景光的影響使檢測(cè)動(dòng)態(tài)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。

掃描激光雷達(dá)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(dá)平臺(tái)，該雷達(dá)以300~900 rpm的速度旋轉(zhuǎn)并發(fā)射出64路905 nm激光的脈沖。每束光束都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的雪崩光電二極管(APD)探測(cè)器。較類似的另一方法是使用旋轉(zhuǎn)的多面鏡，每個(gè)面的傾斜角度略有不同，從而以不同的方位角和斜角引導(dǎo)反射單個(gè)脈沖光束。這兩種設(shè)計(jì)中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件都有外部駕駛環(huán)境惡劣時(shí)的故障風(fēng)險(xiǎn)。

濱松新型百米級(jí)自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)探測(cè)器 16ch 硅APD S14137-01CR

第二種更緊湊的掃描激光雷達(dá)，其方法是使用一個(gè)微型微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）振鏡，以二維的方向電引導(dǎo)出一束或多束光束。雖然在技術(shù)上仍然有運(yùn)動(dòng)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(jī)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(gè)缺點(diǎn)。然而，這種方法由于成本低、可實(shí)現(xiàn)度高而受到人們的關(guān)注。

濱松最新MEMS Mirror產(chǎn)品 剛剛在慕尼黑上海光博會(huì)中展出

光學(xué)相控陣列（OPA）技術(shù)，是第三種參與競爭的激光雷達(dá)技術(shù)，它以可靠的“固定部件”設(shè)計(jì)而日益流行。它由相干光照明的光學(xué)天線組成的陣列構(gòu)成。光束轉(zhuǎn)向是通過獨(dú)立地控制每個(gè)單元發(fā)光時(shí)的相位和振幅來實(shí)現(xiàn)，從而于遠(yuǎn)場(chǎng)處干涉產(chǎn)生理想照明方向，實(shí)現(xiàn)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(dá)將目標(biāo)場(chǎng)景中充滿光，而照明區(qū)域與探測(cè)器的視場(chǎng)相匹配。探測(cè)器是探測(cè)光學(xué)焦平面上的APDs陣列。每個(gè)APD獨(dú)立測(cè)量其上圖像目標(biāo)特征的ToF。這是一種真正的“不移動(dòng)部件”的方法，其中切線方向（垂直、水平）分辨率受到二維探測(cè)器像素尺寸的限制。

然而，閃光激光雷達(dá)的主要缺點(diǎn)是回波光子數(shù)量：一旦距離超過數(shù)十米，返回光的數(shù)量就太少，無法進(jìn)行可靠的探測(cè)。如果不是直接用光覆蓋所有探測(cè)環(huán)境而是采用結(jié)構(gòu)光的形式（例如點(diǎn)陣形式），且犧牲一定的切線分辨率，則可以提高回波光強(qiáng)度。此外，垂直腔面發(fā)射激光器(VCSELs)使得在不同方向同時(shí)發(fā)射數(shù)千束光束的出射成為可能。

ToF激光雷達(dá)由于其回波脈沖較弱、探測(cè)部分電子學(xué)設(shè)計(jì)的寬帶較寬而容易受到噪聲的影響，而閾值觸發(fā)則會(huì)產(chǎn)生Δt的測(cè)量誤差。因此，調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)是一種很有意義的替代方法。

在FMCW雷達(dá)或啁啾調(diào)制雷達(dá)中，天線連續(xù)發(fā)射頻率被調(diào)制的無線電波。例如，隨著時(shí)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(nèi)的移動(dòng)物體上反射回發(fā)射點(diǎn)，其瞬時(shí)頻率將與該瞬間發(fā)射的無線電波不同。這一差別由兩個(gè)因素導(dǎo)致：到物體的距離及其相對(duì)徑向速度?？梢酝ㄟ^電子測(cè)量方法得到頻差，同時(shí)計(jì)算物體的距離和速度（見下圖）。

在啁啾雷達(dá)中，通過電子測(cè)量fB1和fB2，可以確定與反射目標(biāo)的距離及其徑向速度。

在啁啾雷達(dá)的啟發(fā)下，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)可以通過不同的方式獲得。在最簡單的設(shè)計(jì)中，人們可以啁啾地調(diào)節(jié)照亮目標(biāo)的光強(qiáng)。這個(gè)頻率受FMCW雷達(dá)載波頻率的相同規(guī)律(例如多普勒效應(yīng))的影響，返回的光被光探測(cè)器探測(cè)到并恢復(fù)調(diào)制頻率，輸出被放大并與本身振蕩頻率混頻從而允許測(cè)量頻移，并由此計(jì)算出目標(biāo)的距離及其速度。

但是FMCW激光雷達(dá)有一定的局限性，與ToF激光雷達(dá)相比，它需要更多的計(jì)算能力，因此在生成全三維環(huán)繞圖時(shí)速度較慢，而且測(cè)量精度對(duì)啁啾時(shí)調(diào)制時(shí)的線性度程度非常敏感。

雖然設(shè)計(jì)一種功能完善的激光雷達(dá)系統(tǒng)具有挑戰(zhàn)性，但這些挑戰(zhàn)都不是不可克服的。隨著研究的繼續(xù)，我們?cè)絹碓浇咏诖蠖鄶?shù)汽車生產(chǎn)結(jié)束后就能夠完全自動(dòng)化的時(shí)代。

參考文獻(xiàn)

1.J. Wojtanowski et al., Opto-Electron. Rev., 22, 3, 183-190 (2014).

作者 / 美國濱松研究科學(xué)家：Slawomir Piatek 美國濱松營銷工程師：Jake Li

原文鏈接：LIDAR: A photonics guide to the autonomous vehicle market