一文看懂汽車激光源和光電探測(cè)器的選擇

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，激光雷達(dá)（LiDAR）與其它傳感器技術(shù)（攝像頭、雷達(dá)和超聲波）的相互競(jìng)爭(zhēng)增加了對(duì)傳感器融合的需求，同時(shí)也要求對(duì)光電探測(cè)器、光源和MEMS微鏡的仔細(xì)甄選。

隨著傳感器技術(shù)、成像技術(shù)、雷達(dá)、LiDAR、電子設(shè)備和人工智能技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)十種先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）功能已得以實(shí)現(xiàn)，包括防撞、盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)、車道偏離報(bào)警和停車輔助。通過傳感器融合同步此類系統(tǒng)的運(yùn)行，以允許全自動(dòng)駕駛車輛或無人駕駛車輛對(duì)周圍環(huán)境檢測(cè)，并警告駕駛員潛在的道路危險(xiǎn)，甚至可以采取獨(dú)立于駕駛員的規(guī)避動(dòng)作來避免碰撞。

自動(dòng)駕駛汽車還必須能在高速情況下區(qū)分并識(shí)別前方物體。使用距離判斷技術(shù)，這些自動(dòng)駕駛汽車必須快速構(gòu)建出約100米遠(yuǎn)道路的3D地圖，并能在250米遠(yuǎn)的距離上創(chuàng)建出高角分辨率的圖像。如果駕駛員不在場(chǎng)，汽車人工智能必須做出最優(yōu)決策。

此任務(wù)的幾種基本方法之一是，測(cè)量能量脈沖從自動(dòng)駕駛汽車發(fā)出到目標(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)算出反射點(diǎn)的距離。這個(gè)脈沖可以是超聲波（聲納），也可以是無線電波（雷達(dá)）或光（LiDAR）。

這三種ToF技術(shù)，想擁有更高的角分辨率圖像，LiDAR是最好的選擇，這是因?yàn)長iDAR圖像的衍射（光束散度）更小，對(duì)鄰近物體識(shí)別能力比雷達(dá)更優(yōu)秀（見圖1）。對(duì)于高速情況下需要足夠時(shí)間來應(yīng)對(duì)如迎頭相撞等潛在危險(xiǎn)，更高的角分辨率尤為重要。

激光源的選擇

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（見圖2）。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ToF Δt 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5 cm，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。

圖1 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說是偏大的。如圖，雷達(dá)（黑色）無法區(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)者來說，最關(guān)鍵的就是選擇光的波長。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)是硅能吸收此波長的光子，而硅基光電探測(cè)器通常比探測(cè)1550 nm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，都是依賴于波長的。但對(duì)于汽車LiDAR來說，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。