淺析自動(dòng)駕駛基礎(chǔ)之激光雷達(dá)

目前激光雷達(dá)主要分成兩類：掃描式激光雷達(dá)和非掃描式激光雷達(dá)。

1、掃描式激光雷達(dá)

機(jī)械式旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)（發(fā)射、接收、共軸旋轉(zhuǎn)的激光雷達(dá)），這是目前比較成熟的，在下游無(wú)人駕駛使用比較多的方案。比較有代表性的有Velodyen、Ibeo，包括我們現(xiàn)在在量產(chǎn)的也是這種機(jī)械式的激光雷達(dá)?；旌瞎虘B(tài)也是機(jī)械式旋轉(zhuǎn)類的激光雷達(dá)。

另外一種是MEMS。基于 MEMS 的掃描式雷達(dá)目前屬于技術(shù)研究狀態(tài)，它的原理是通過(guò)MEMS 掃描鏡來(lái)改變光路。還有一種是相控陣激光雷達(dá)（OPA），其實(shí)也屬于掃描式激光雷達(dá)，因?yàn)樗峭ㄟ^(guò)逐點(diǎn)掃描的方式，即多個(gè)小天線之間發(fā)射的激光的發(fā)射相位來(lái)改變光路而實(shí)現(xiàn)的。

2、非掃描式激光雷達(dá)

Flash LiDAR 是發(fā)掃描式激光雷達(dá)，發(fā)射的就是一個(gè)面陣的光，如瑞士的Ledder Tech 研發(fā)就是 Flash liDAR 這類產(chǎn)品。

不管是掃描式激光雷達(dá)還是非掃描式激光雷達(dá)， 都是基于TOF(飛行時(shí)間)來(lái)測(cè)量被測(cè)物體的距離。

在ToF LiDAR中，激光發(fā)出持續(xù)時(shí)間為τ的光脈沖，在發(fā)射的瞬間激活計(jì)時(shí)電路內(nèi)部時(shí)鐘。從目標(biāo)反射的光脈沖到達(dá)光電探測(cè)器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種使時(shí)鐘失效的輸出電信號(hào)。這種電子測(cè)量往返ToFΔt 可計(jì)算出目標(biāo)到反射點(diǎn)的距離R。

若現(xiàn)實(shí)中激光和光電探測(cè)器位于同一位置，其距離R是由以下兩因素影響：

c為光在真空中的速度，n為傳播介質(zhì)的折射率(空氣中折射率接近1)。這兩個(gè)因素影響著距離分辨率ΔR：若激光點(diǎn)的直徑大于要解析的目標(biāo)大小，則測(cè)量Δt和脈沖的空間寬度w(w =cτ)的不確定性為δΔt。

第一個(gè)因子表示為ΔR = ? cδΔt，而第二個(gè)因子則表示為ΔR= ? w = ? cτ。若距離測(cè)量的分辨率為5cm，以上關(guān)系表明：δΔt約為300 ps，τ約為300 ps。ToF LiDAR要求利用小時(shí)間抖動(dòng)的光電探測(cè)器和電子探測(cè)器(主要對(duì)δΔt有貢獻(xiàn))和能發(fā)射短時(shí)脈沖的激光(如相對(duì)昂貴的皮秒激光)。在典型汽車LiDAR系統(tǒng)中，激光產(chǎn)生的脈沖持續(xù)時(shí)間約為4 ns，因此最小光束發(fā)散角是必需的。

上圖中光束發(fā)散角取決于發(fā)射天線(雷達(dá))或透鏡(LiDAR)的孔徑和波長(zhǎng)的比值。此比例對(duì)于雷達(dá)產(chǎn)生的較大光束發(fā)散角和較小角分辨率來(lái)說(shuō)是偏大的。如上圖中，雷達(dá)(黑色)無(wú)法區(qū)分這兩輛車，而LiDAR(紅色)則可以。

對(duì)汽車LiDAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，最關(guān)鍵的就是選擇光的波長(zhǎng)。但有以下幾項(xiàng)因素限制了此選擇：人眼安全性、與大氣的相互作用、可選用的激光器以及可選用的光電探測(cè)器。

最受歡迎的兩種波長(zhǎng)是905 nm和1550 nm，905 nm光波的主要優(yōu)點(diǎn)是硅能吸收此波長(zhǎng)的光子，而硅基光電探測(cè)器通常比探測(cè)1550nm光波的砷化鎵銦(InGaAs)紅外(IR)光電探測(cè)器便宜。然而，1550 nm對(duì)人眼的安全性更高，允許激光使用的每個(gè)脈沖輻射能量更大——這是光子預(yù)算中的重要因素。

大氣衰減(在所有的天氣條件下)，從空氣中粒子的散射，以及目標(biāo)物理表面的反射，都是依賴于波長(zhǎng)的。但對(duì)于汽車LiDAR來(lái)說(shuō)，由于天氣條件和反射表面類型可能性眾多，這是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。在現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中，由于1550 nm的吸水率比905 nm的更強(qiáng)，其實(shí)905 nm的光損失更少。

發(fā)射的脈沖中只有小部分光子到達(dá)了光電探測(cè)器的有源區(qū)域。若大氣衰減不會(huì)隨著脈沖路徑發(fā)生變化，則激光的光束發(fā)散角可忽略不計(jì)，照明點(diǎn)小于目標(biāo)，入射角度為零，反射為完全漫反射(Lambertian)，那么脈沖光接收的峰值功率P(R)為：

其中，P0為發(fā)射激光脈沖的光峰值功率，ρ為目標(biāo)反射率，A0為接收器的孔徑面積，η0為探測(cè)光的光譜透射，γ為大氣衰減系數(shù)。

上述方程表明，隨著距離R的增加，接收功率迅速降低。作為參數(shù)及R=100 m的合理選擇，光電探測(cè)器有源區(qū)域上返回的光子數(shù)近超過(guò)典型值(發(fā)射1020次)，為其幾百到幾千倍的數(shù)量級(jí)。而這些光子會(huì)與未攜帶有用信息的環(huán)境光子競(jìng)爭(zhēng)。

使用窄帶濾波器可減少到達(dá)探測(cè)器的環(huán)境光子數(shù)量，但卻不能完全消除。環(huán)境可降低檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍和增加噪聲(環(huán)境光子散粒噪聲)。值得注意的是，在典型的條件下，地面太陽(yáng)輻射照度在905nm到1550 nm區(qū)間。

飛行時(shí)間(ToF)LiDAR基本設(shè)置的詳解可以參考下圖：

在汽車周圍的創(chuàng)建360°* 20°的3D地圖，需要光柵掃描單個(gè)/多個(gè)激光光束，或?qū)?chǎng)景進(jìn)行光覆蓋并收集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。前一種方法被稱為掃描式LiDAR，而后者是Flash面陣式LiDAR。

有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)掃描式LiDAR。

第一種方法，以Velodyne(San Jose，CA)公司為例，安裝在車頂?shù)募す饫走_(dá)平臺(tái)以每分鐘300~900轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)從64顆905 nm激光二極管發(fā)出脈沖。每個(gè)光束都有一顆專用雪崩光電二極管(APD)檢測(cè)器。類似的方法是使用旋轉(zhuǎn)多面鏡，在不同方位和下傾角度，以略微不同的傾斜角度來(lái)控制單束脈沖。在惡劣且復(fù)雜的駕駛環(huán)境中，這兩個(gè)設(shè)計(jì)中的運(yùn)動(dòng)部件都暗藏著失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

第二種方法，使掃描式LiDAR變得更緊湊的方法是使用MEMS微鏡，在2D方向上以電控制光束。雖然技術(shù)上仍存在一些運(yùn)動(dòng)部件(微鏡也有振動(dòng))，但振動(dòng)幅度很小，且頻率足夠高，還可防止MEMS微鏡與汽車之間的機(jī)械共振。然而，MEMS微鏡的幾何尺寸限制了其振蕩幅度，因此采用MEMS微鏡的LiDAR視野有限，這是MEMS方法的缺點(diǎn)。盡管如此，由于此種方法成本低、技術(shù)成熟，還是賺足了眼球。

光學(xué)相控陣(OPA)技術(shù)，為第三種競(jìng)爭(zhēng)掃描式LiDAR技術(shù)的方法，因其可靠的“無(wú)運(yùn)動(dòng)部件”設(shè)計(jì)而深受歡迎。它由光天線元件陣列組成，這些元件同樣被相干光照亮。通過(guò)獨(dú)立控制每個(gè)元件重新發(fā)射光的相位和振幅來(lái)實(shí)現(xiàn)光波轉(zhuǎn)向，遠(yuǎn)場(chǎng)干擾產(chǎn)生一種理想的照明模式，從單光束到多光束。不幸的是，各種各樣小元件的光損耗限制了其可用范圍。

Flash面陣式LiDAR對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行光覆蓋，盡管照明區(qū)域與探測(cè)器視野相匹配。在探測(cè)光學(xué)焦平面上的APD陣列即為探測(cè)器。每個(gè)APD均獨(dú)立地測(cè)量ToF以實(shí)現(xiàn)該APD對(duì)目標(biāo)特性成像。這是一種真正的“無(wú)運(yùn)動(dòng)部件”方法，其中切向分辨率被2D探測(cè)器的像素大小所限制。

然而，F(xiàn)lash面陣式LiDAR的主要缺點(diǎn)是光子預(yù)算：一旦距離超過(guò)幾十米，返回光子的數(shù)量就太少，根本無(wú)法進(jìn)行可靠的探測(cè)。如果不是對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行光覆蓋，以犧牲切向分辨率為代價(jià)，用網(wǎng)格點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)光來(lái)照明，這就可得到改善。垂直腔面發(fā)射激光器(VCSELs)使其可在不同方向同時(shí)發(fā)射成千上萬(wàn)的光束。

如何不受ToF限制

由于探測(cè)電子返回脈沖和帶寬較寬的弱點(diǎn)，ToF LiDAR易受噪聲影響，而閾值觸發(fā)可引起測(cè)量誤差Δt?；谶@些原因，調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)LiDAR是一種有趣的選擇。

在FMCW LiDAR(或chirped 雷達(dá))中，天線連續(xù)發(fā)射的無(wú)線電波頻率是調(diào)制的，例如其頻率隨著時(shí)間T從f0到 fmax線性增加，然后再隨著時(shí)間T從 fmax到f0線性減少。如果反射波從某處的移動(dòng)物體回到發(fā)射點(diǎn)，其瞬時(shí)頻率將與發(fā)射瞬間的頻率不同。差異來(lái)自有兩個(gè)方面：一是與物體間的距離，二是其相對(duì)徑向速度。因此可通過(guò)電子測(cè)量頻率差異，并計(jì)算物體的距離和速度來(lái)確定。參考下圖：

在上圖中， 在chirped 雷達(dá)中，通過(guò)電子測(cè)量 fB1 和fB2 ，可以確定反射物體的距離和它的徑向速度。受到chirped雷達(dá)的啟發(fā)，F(xiàn)MCW LiDAR可用不同的方式接近被測(cè)物體。在最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)中，可以對(duì)照亮目標(biāo)的光束強(qiáng)度進(jìn)行“啁啾chirp”(寬帶線性調(diào)頻)調(diào)制。該頻率與FMCW雷達(dá)的載波頻率遵守相同的規(guī)律(如多普勒效應(yīng))。反射回來(lái)的光被光電探測(cè)器檢測(cè)到，然后恢復(fù)其調(diào)制頻率。輸出被放大，并與本機(jī)振蕩器混合，以允許測(cè)量頻率的變化，同時(shí)由此計(jì)算出目標(biāo)的距離和速度。

但是FMCW LiDAR也有其局限性。與ToF LiDAR相比，它需要更強(qiáng)大的計(jì)算能力。因此，F(xiàn)MCWLiDAR在生成完整3D環(huán)境視圖時(shí)，速度要慢一些。此外，測(cè)量的精度對(duì)啁啾斜線的線性度非常敏感。

盡管設(shè)計(jì)一套功能完善的LiDAR系統(tǒng)是非常有挑戰(zhàn)性的，但這些挑戰(zhàn)均是可克服的。隨著研究的深入，我們正越來(lái)越接近“大部分汽車完成裝配后就可以實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛”的時(shí)代。