激光雷达:从光电技术角度看自动驾驶

发布时间:2018年05月01日 13:51:54    浏览数:189次    来自:admin
激光雷达和与之竞争的传感器技术(相机、雷达和超声波)加强了对传感器融合的需要,也对认真谨慎地选择光电探测器、光源和MEMS振镜提出了更高的要求。

  扫描激光雷达有几种方式。第一种方式,以Velodyne为例(San Jose, CA),在顶部安装激光雷达平台,该雷达以300~900 rpm的速度旋转并发射出64路905 nm激光的脉冲。每束光束都有一个对应的雪崩光电二极管(APD)探测器。较类似的另一方法是使用旋转的多面镜,每个面的倾斜角度略有不同,从而以不同的方位角和斜角引导反射单个脉冲光束。这两种设计中的机械运动部件都有外部驾驶环境恶劣时的故障风险。


激光雷达:从光电技术角度看自动驾驶

  滨松新型百米级自动驾驶激光雷达探测器

  16ch 硅APD S14137-01CR

  第二种更紧凑的扫描激光雷达,其方法是使用一个微型微机电系统(MEMS)振镜,以二维的方向电引导出一束或多束光束。虽然在技术上仍然有运动部件(振荡镜),但振荡的幅度很小,频率也很高,足以防止MEMS振镜和汽车之间的机械共振。然而,振镜的几何尺寸限制了它的振荡幅度,这就使得视角变得有限——这是MEMS方法的一个缺点。然而,这种方法由于成本低、可实现度高而受到人们的关注。


激光雷达:从光电技术角度看自动驾驶

  滨松最新MEMS Mirror产品

  在今年的慕尼黑上海光博会2018中展出

  光学相控阵列(OPA)技术,是第三种参与竞争的激光雷达技术,它以可靠的“固定部件”设计而日益流行。它由相干光照明的光学天线组成的阵列构成。光束转向是通过独立地控制每个单元发光时的相位和振幅来实现,从而于远场处干涉产生理想照明方向,实现从单光束到多光束的变化。不幸的是,光的损失限制了各种OPA组件的可用范围。

  闪光激光雷达将目标场景中充满光,而照明区域与探测器的视场相匹配。探测器是探测光学焦平面上的APDs阵列。每个APD独立测量其上图像目标特征的ToF。这是一种真正的“不移动部件”的方法,其中切线方向(垂直、水平)分辨率受到二维探测器像素尺寸的限制。

  然而,闪光激光雷达的主要缺点是回波光子数量:一旦距离超过数十米,返回光的数量就太少,无法进行可靠的探测。如果不是直接用光覆盖所有探测环境而是采用结构光的形式(例如点阵形式),且牺牲一定的切线分辨率,则可以提高回波光强度。此外,垂直腔面发射激光器(VCSELs)使得在不同方向同时发射数千束光束的出射成为可能。


激光雷达:从光电技术角度看自动驾驶

  滨松可用于激光雷达的光半导体探测器对比

  摆脱ToF法的限制

  ToF激光雷达由于其回波脉冲较弱、探测部分电子学设计的宽带较宽而容易受到噪声的影响,而阈值触发则会产生Δt的测量误差。因此,调频连续波(FMCW)激光雷达是一种很有意义的替代方法。

  在FMCW雷达或啁啾调制雷达中,天线连续发射频率被调制的无线电波。例如,随着时间T从?0线性增加到?max,然后随着T从?max线性减小至?0。如果波在一定距离内的移动物体上反射回发射点,其瞬时频率将与该瞬间发射的无线电波不同。这一差别由两个因素导致:到物体的距离及其相对径向速度。可以通过电子测量方法得到频差,同时计算物体的距离和速度(见下图)。


激光雷达:从光电技术角度看自动驾驶

  在啁啾雷达中,通过电子测量fB1和fB2,可以确定与反射目标的距离及其径向速度。

  在啁啾雷达的启发下,FMCW激光雷达可以通过不同的方式获得。在最简单的设计中,人们可以啁啾地调节照亮目标的光强。这个频率受FMCW雷达载波频率的相同规律(例如多普勒效应)的影响,返回的光被光探测器探测到并恢复调制频率,输出被放大并与本身振荡频率混频从而允许测量频移,并由此计算出目标的距离及其速度。

  但是FMCW激光雷达有一定的局限性,与ToF激光雷达相比,它需要更多的计算能力,因此在生成全三维环绕图时速度较慢,而且测量精度对啁啾时调制时的线性度程度非常敏感。

  虽然设计一种功能完善的激光雷达系统具有挑战性,但这些挑战都不是不可克服的。随着研究的继续,我们越来越接近于大多数汽车生产结束后就能够完全自动化的时代。



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