如何選用汽車LiDAR的激光器和光電探測(cè)器？

　　光學(xué)相控陣(OPA)技術(shù)，為第三種競(jìng)爭(zhēng)掃描式LiDAR技術(shù)的方法，因其可靠的“無運(yùn)動(dòng)部件”設(shè)計(jì)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(dú)立控制每個(gè)元件重新發(fā)射光的相位和振幅來實(shí)現(xiàn)光波轉(zhuǎn)向，遠(yuǎn)場(chǎng)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(duì)場(chǎng)景進(jìn)行光覆蓋，盡管照明區(qū)域與探測(cè)器視野相匹配。在探測(cè)光學(xué)焦平面上的APD陣列即為探測(cè)器。每個(gè)APD均獨(dú)立地測(cè)量ToF以實(shí)現(xiàn)該APD對(duì)目標(biāo)特性成像。這是一種真正的“無運(yùn)動(dòng)部件”方法，其中切向分辨率被2D探測(cè)器的像素大小所限制。

　　然而，F(xiàn)lash面陣式LiDAR的主要缺點(diǎn)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(jìn)行可靠的探測(cè)。如果不是對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行光覆蓋，以犧牲切向分辨率為代價(jià)，用網(wǎng)格點(diǎn)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(shí)發(fā)射成千上萬的光束。

　　如何不受ToF限制

　　由于探測(cè)電子返回脈沖和帶寬較寬的弱點(diǎn)，ToF LiDAR易受噪聲影響，而閾值觸發(fā)可引起測(cè)量誤差Δt?；谶@些原因，調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)LiDAR是一種有趣的選擇。

　　在FMCW LiDAR(或chirped 雷達(dá))中，天線連續(xù)發(fā)射的無線電波頻率是調(diào)制的，例如其頻率隨著時(shí)間T從f0到 fmax線性增加，然后再隨著時(shí)間T從 fmax到f0線性減少。如果反射波從某處的移動(dòng)物體回到發(fā)射點(diǎn)，其瞬時(shí)頻率將與發(fā)射瞬間的頻率不同。差異來自有兩個(gè)方面：一是與物體間的距離，二是其相對(duì)徑向速度。因此可通過電子測(cè)量頻率差異，并計(jì)算物體的距離和速度(見圖3)來確定。

　　圖3 在chirped 雷達(dá)中，通過電子測(cè)量 fB1 和fB2 ，可以確定反射物體的距離和它的徑向速度

　　受到chirped 雷達(dá)的啟發(fā)，F(xiàn)MCW LiDAR可用不同的方式接近被測(cè)物體。在最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)中，可以對(duì)照亮目標(biāo)的光束強(qiáng)度進(jìn)行“啁啾chirp”(寬帶線性調(diào)頻)調(diào)制。該頻率與FMCW雷達(dá)的載波頻率遵守相同的規(guī)律(如多普勒效應(yīng))。反射回來的光被光電探測(cè)器檢測(cè)到，然后恢復(fù)其調(diào)制頻率。輸出被放大，并與本機(jī)振蕩器混合，以允許測(cè)量頻率的變化，同時(shí)由此計(jì)算出目標(biāo)的距離和速度。

　　但是FMCW LiDAR也有其局限性。與ToF LiDAR相比，它需要更強(qiáng)大的計(jì)算能力。因此，F(xiàn)MCW LiDAR在生成完整3D環(huán)境視圖時(shí)，速度要慢一些。此外，測(cè)量的精度對(duì)啁啾斜線的線性度非常敏感。

　　盡管設(shè)計(jì)一套功能完善的LiDAR系統(tǒng)是非常有挑戰(zhàn)性的，但這些挑戰(zhàn)均是可克服的。隨著研究的深入，我們正越來越接近“大部分汽車完成裝配后就可以實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛”的時(shí)代。