一文詳解激光雷達(dá)原理之光學(xué)原理

之前我們講到激光雷達(dá)根據(jù)接收原理一般分為iTOF/ dTOF（SPAD/ APD），根據(jù)掃描方式又可以分為機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)/ 半固態(tài)（有的也叫混合固態(tài)）激光雷達(dá)/ 固態(tài)激光雷達(dá)/ Flash/OPA 等等，這個以后會講到（又給自己挖坑了hhh）。但他們的最小組成單元比較類似：發(fā)射端：光源+發(fā)射透鏡，接收端：sensor+接收透鏡。本文基于目前較多的機(jī)械旋轉(zhuǎn)式/混合固態(tài)式，講講其中的光學(xué)原理

光源

激光雷達(dá)的光源當(dāng)然是激光，常用的一般兩個波段

905nm波段通常是用EEL（Edge-Emitting Laser）邊發(fā)射激光器，VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）垂直腔面發(fā)射激光器。

1550nm波段，通常需要用到光纖激光器。

波長的選擇

為什么會用到這兩個波段呢，主要是根據(jù)兩方面的約束

自然光的光譜

905nm也好，1550nm也好，在自然光光譜中占比重較小，即在相同的自然光強(qiáng)下，這個波段的強(qiáng)度較低，使得經(jīng)過濾光片過濾后，噪聲較小。這個自然光光譜的具體數(shù)值可以通過ASTM G173查到，我之后會看一下這里能否上傳文件，可以的話我會上傳上去，大家可以在我的主頁找找。

人眼安全

參考IEC60825-1 消費(fèi)級的激光雷達(dá)都會要求人眼安全級別達(dá)到class 1，人眼安全除了跟激光的能量強(qiáng)度、FOV、脈沖時間、脈沖峰值功率、平均光功率有關(guān)外，還和波長相關(guān)。

1550nm的激光會被晶狀體和角膜吸收，所以在class 1的標(biāo)準(zhǔn)下，使用1550nm的光源可以使用更高的功率。當(dāng)然1550nm的光源也有其他的優(yōu)劣，成本，特定場景下回波能量低之類的，先不在這里展開了。同樣的，IEC60825-1也有相關(guān)文件，我會看看是否可以上傳。

光束質(zhì)量

因?yàn)楣庠词羌す?，是存在快慢軸（快軸是垂直于激光芯片正表面的，慢軸是平行于芯片表面的，一般快軸的發(fā)散角大，慢軸反之）和束腰的，所以激光光束質(zhì)量的好壞是光源選擇的關(guān)鍵。判斷激光光源光束質(zhì)量的常用表達(dá)方式是BPP（Beam-Parameter Product）光參數(shù)積（當(dāng)然還有M^2，這里就講BPP吧），BPP的定義：

其中ω 是束腰半徑，θ 是遠(yuǎn)場發(fā)散半角。BPP是一個恒定值，在不損失能量的情況下，利用光學(xué)系統(tǒng)對激光的任意一項(xiàng)進(jìn)行調(diào)整，另一項(xiàng)都會發(fā)生相應(yīng)的改變?？梢钥闯?，BPP越小，光束能量越集中，光束質(zhì)量就越好。

而因?yàn)椴糠旨す饫走_(dá)（如車載）有遠(yuǎn)距離測距的要求，為了保證足夠的分辨率，需要激光的彌散斑在遠(yuǎn)距離也保持的很小，所以需要將激光的出射角準(zhǔn)直到很?。ㄟ@里會在下文出射透鏡環(huán)節(jié)進(jìn)一步講），而又為了回波能量能夠被探測到，所以需要其能量足夠集中嗎。所以選擇一個BPP很小的激光器是關(guān)鍵的。

EEL vs VCSEL vs 光纖激光器

這里用個表格來表示吧：

中心波長偏移

通常溫度的變化會給激光器的中心波長帶來變化，不同批次的激光器中心波長也會有一定程度的便宜，這使得對濾光片的帶寬要求變寬，從而會讓更多的環(huán)境光作為噪聲進(jìn)入sensor，減小信噪比。

發(fā)射透鏡

發(fā)射透鏡主要是為了準(zhǔn)直，因?yàn)楣庠词羌す猓炻S需要用柱面鏡分開單獨(dú)準(zhǔn)直（當(dāng)然對于快慢軸發(fā)散角一致的光源來說可以用一個凸面鏡來準(zhǔn)直），準(zhǔn)直后的發(fā)散角一般用m r a d mradmrad（毫弧度）為單位來表示。相同能量下，發(fā)散角越小，激光雷達(dá)能測到的距離就更遠(yuǎn)，測距分辨率越高。

接收透鏡

接收透鏡與Sensor的類型有關(guān)，如果Sensor只有單個pixel，那么接收透鏡是非成像的，只用FOV與發(fā)射透鏡匹配即可。

如果是面陣的Sensor，那就和camera透鏡的方式一致，物像關(guān)系需要對應(yīng)。

Sensor

Sensor的種類之前講過了（不過也還有FMCW OPA沒講），當(dāng)然不同波長的光源，選用的Sensor也有所不同。

光路分類

主要分兩種方式：旁軸&同軸

這里我畫了兩張圖（是不是很用心，沒在網(wǎng)上找了）

旁軸系統(tǒng)

發(fā)射端和接收端是不同的光路，發(fā)射端和接收端之間的物理距離被稱為Baseline，Baseline的大小，光源和發(fā)射透鏡組成的發(fā)射端的發(fā)散角，Sensor和接收透鏡組成的接收端的視場角，共同決定了旁軸光路系統(tǒng)的有效測距范圍（可以用簡單的三角關(guān)系來計(jì)算）。可以看出，旁軸系統(tǒng)在近距離是存在盲區(qū)的（即近距離是無法測距的，而其實(shí)因?yàn)榘l(fā)散角的邊緣并不是完全無光（定義為1 / e^2的位置），所以因?yàn)镾PAD的高感光能力，SPAD應(yīng)用中近距離的盲區(qū)會遠(yuǎn)小于理論盲區(qū)）。所以，考慮到分辨率和盲區(qū)大小，旁軸系統(tǒng)會希望Baseline盡可能的小，發(fā)射端的發(fā)散小要盡可能的小，而接收端的視場角需要略大于發(fā)射端，但不能大太多（因?yàn)榇筇鄷敫嗟沫h(huán)境噪聲）。對于同樣一個目標(biāo)靶來說，旁軸系統(tǒng)接收到的能量隨著距離的遠(yuǎn)近的線性度會較差，且會因?yàn)闃O線約束在sensor靶面上的投影也會隨距離偏移（而大多數(shù)sensor不同位置對于能量的響應(yīng)也是有所不同的）。

同軸系統(tǒng)

發(fā)射端和接收端是相同光路的系統(tǒng)，利用分光鏡來對發(fā)射/接收光線進(jìn)行半透半反，因?yàn)槭窍嗤墓饴?，發(fā)射和接收的角度可以做到相同，且不存在盲區(qū)，同軸的系統(tǒng)不存在極線約束，其能量隨距離的線性度也會更好。然而因?yàn)榉止忡R的存在，同軸系統(tǒng)對于光源能量的要求更高（在圖中也很好看出，出射能量會被削弱50%，接收能量又會被削弱50%）。且同軸系統(tǒng)的裝配難度及體積也會比旁軸系統(tǒng)要大。

PS. 這里引入了一個reference sensor的概念，因?yàn)闇仄瘯绊懓l(fā)射系統(tǒng)的出光延時，所以只記錄電路上的start 出光信號時間會受到溫度的影響使得測距的信息不準(zhǔn)確，而光的start 信號出光延時是同步的，所以利用reference sensor可以更好的跟隨溫漂后的實(shí)際出光時間，獲得更準(zhǔn)確的start時間，從而抑制溫漂對TOF測距產(chǎn)生的影響。

光學(xué)鏈路分析

分析方式各種paper沒有太過統(tǒng)一，但大致需要考量的因素差不太多。我會分為兩塊來講講我的理解

背景噪聲建模

《Modeling and Analysis of a Direct Time-of-Flight Sensor Architecture for LiDAR Applications》這篇文章提到可以用普朗克黑體輻射定律和泊松分布來建模

信號/回波衰減建模

其他

當(dāng)然，這里是簡單的模擬，像目標(biāo)物反射可以用朗伯散射的模型，IR的透過率引入IR的帶通數(shù)值以及太陽光的光譜數(shù)據(jù)（根據(jù)剛才提到的ASTM G173），發(fā)射與接收之間的baseline以及弧面光功率到平面目標(biāo)物的散射截面積，如SPAD的雪崩觸發(fā)的泊松/負(fù)二項(xiàng)分布，電路的散彈噪聲/暗電流/熱電流都可以被考慮到。

審核編輯 ：李倩