如何選用汽車(chē)LiDAR的激光器和光電探測(cè)器？

　　據(jù)麥姆斯咨詢(xún)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(chē)道偏離報(bào)警和停車(chē)輔助。通過(guò)傳感器融合同步此類(lèi)系統(tǒng)的運(yùn)行，以允許全自動(dòng)駕駛車(chē)輛或無(wú)人駕駛車(chē)輛對(duì)周?chē)h(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(lái)避免碰撞。

　　自動(dòng)駕駛汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)發(fā)出到目標(biāo)再返回車(chē)輛的往返飛行時(shí)間(ToF)。當(dāng)知道脈沖通過(guò)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(wú)線(xiàn)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(zhǎng)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(jiàn)圖1)。對(duì)于高速情況下需要足夠時(shí)間來(lái)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(jiàn)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(chē)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(xiàn)(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。如圖，雷達(dá)(黑色)無(wú)法區(qū)分這兩輛車(chē)，而LiDAR(紅色)則可以

　　對(duì)汽車(chē)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)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。