如何選用汽車LiDAR的激光器和光電探測(cè)器？

　　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(zhǎng)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。

　　光電探測(cè)器的選擇

　　發(fā)射的脈沖中只有小部分光子到達(dá)了光電探測(cè)器的有源區(qū)域。若大氣衰減不會(huì)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(jì)，照明點(diǎn)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(cè)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(cè)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(jí)。而這些光子會(huì)與未攜帶有用信息的環(huán)境光子競(jìng)爭(zhēng)。

　　使用窄帶濾波器可減少到達(dá)探測(cè)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(cè)的動(dòng)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(yáng)輻射照度在905 nm到1550 nm區(qū)間。

　　圖2 飛行時(shí)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(gè)/多個(gè)激光光束，或?qū)?chǎng)景進(jìn)行光覆蓋并收集點(diǎn)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(shí)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_(dá)平臺(tái)以每分鐘300~900轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)從64顆905 nm激光二極管發(fā)出脈沖。每個(gè)光束都有一顆專用雪崩光電二極管(APD)檢測(cè)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(gè)設(shè)計(jì)中的運(yùn)動(dòng)部件都暗藏著失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

　　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(yùn)動(dòng)部件(微鏡也有振動(dòng))，但振動(dòng)幅度很小，且頻率足夠高，還可防止MEMS微鏡與汽車之間的機(jī)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(diǎn)。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。