- 一文看懂汽車激光源和光電探測器的選擇

光電探測器的選擇

發(fā)射的脈沖中只有小部分光子到達了光電探測器的有源區(qū)域。若大氣衰減不會隨著脈沖路徑發(fā)生變化，則激光的光束發(fā)散角可忽略不計，照明點小于目標(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，光電探測器有源區(qū)域上返回的光子數(shù)近超過典型值（發(fā)射1020次），為其幾百到幾千倍的數(shù)量級。而這些光子會與未攜帶有用信息的環(huán)境光子競爭。

使用窄帶濾波器可減少到達探測器的環(huán)境光子數(shù)量，但卻不能完全消除。環(huán)境可降低檢測的動態(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，地面太陽輻射照度在905 nm到1550 nm區(qū)間。

圖2 飛行時間（ToF）LiDAR基本設(shè)置的詳解

在汽車周圍的創(chuàng)建360° x 20°的3D地圖，需要光柵掃描單個/多個激光光束，或?qū)鼍斑M行光覆蓋并收集點云數(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_平臺以每分鐘300~900轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，同時從64顆905 nm激光二極管發(fā)出脈沖。每個光束都有一顆專用雪崩光電二極管（APD）檢測器。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控制單束脈沖。在惡劣且復(fù)雜的駕駛環(huán)境中，這兩個設(shè)計中的運動部件都暗藏著失敗的風(fēng)險。

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)上仍存在一些運動部件（微鏡也有振動），但振動幅度很小，且頻率足夠高，還可防止MEMS微鏡與汽車之間的機械共振。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。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)，為第三種競爭掃描式LiDAR技術(shù)的方法，因其可靠的“無運動部件”設(shè)計而深受歡迎。它由光天線元件陣列組成，這些元件同樣被相干光照亮。通過獨立控制每個元件重新發(fā)射光的相位和振幅來實現(xiàn)光波轉(zhuǎn)向，遠場干擾產(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對場景進行光覆蓋，盡管照明區(qū)域與探測器視野相匹配。在探測光學(xué)焦平面上的APD陣列即為探測器。每個APD均獨立地測量ToF以實現(xiàn)該APD對目標(biāo)特性成像。這是一種真正的“無運動部件”方法，其中切向分辨率被2D探測器的像素大小所限制。

然而，F(xiàn)lash面陣式LiDAR的主要缺點是光子預(yù)算：一旦距離超過幾十米，返回光子的數(shù)量就太少，根本無法進行可靠的探測。如果不是對場景進行光覆蓋，以犧牲切向分辨率為代價，用網(wǎng)格點狀結(jié)構(gòu)光來照明，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發(fā)射成千上萬的光束。