在汽車工業(yè)中,光探測(cè)和測(cè)距(LIDAR)被用于先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng)和自主車輛。雖然并非每一個(gè)智能車都使用激光雷達(dá),但它的應(yīng)用正在迅速增加,因?yàn)樗a(chǎn)生的感官信息填補(bǔ)了相機(jī)之間的一個(gè)關(guān)鍵缺口。

激光雷達(dá)系統(tǒng)在紅外光譜中運(yùn)行。紅外線對(duì)人類的眼睛是看不到的,它通常探測(cè)到380-700納米之間的波長。紅外輻射范圍從750納米到1,000毫米不等。一般的分類是近紅外是750納米至1400納米;短波長紅外是1400納米至3000納米;中波長紅外是3000納米至8000納米;長波長紅外是8000納米至15000納米。

這些類別屬于"熱紅外"范圍,即紅外技術(shù)通常用于溫度測(cè)量等。遠(yuǎn)紅外線橫跨15米到100米,穿過太赫茲頻率,用于各種治療藥物。

紅外光譜細(xì)分。

LIDAR系統(tǒng)基本原理

大多數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)的本質(zhì)是發(fā)射紅外脈沖,然后檢測(cè)和分析它們?cè)谖矬w表面的反射。脈沖是由激光二極管產(chǎn)生的,傳感器是光二極管(PDS)。利用機(jī)械或固態(tài)光柵掃描,激光雷達(dá)通過收集和處理笛卡爾坐標(biāo)系集并將其顯示為點(diǎn)云,創(chuàng)建目標(biāo)環(huán)境的三維地圖。

閃存激光雷達(dá)是光柵掃描的一種替代方法。這個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的工作方式類似于傳統(tǒng)的閃光攝影,從一個(gè)紅外脈沖中捕捉整個(gè)場景或環(huán)境,而不是用旋轉(zhuǎn)激光器或鏡子一次采集一點(diǎn)數(shù)據(jù)。閃存激光雷達(dá)的實(shí)時(shí)圖像采集具有速度快、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn),提高了系統(tǒng)的可靠性,降低了系統(tǒng)成本。

閃存激光雷達(dá)可以通過射射器通過準(zhǔn)直的紅外脈沖來照亮目標(biāo)區(qū)域,從而避免了掃描的需要。反射光由接收透鏡采集,接收透鏡將其聚焦到傳感器陣列的每個(gè)像素接收信號(hào)的一個(gè)離散部分。

在掃描和閃存激光雷達(dá)中,飛行時(shí)間測(cè)量被用來計(jì)算激光雷達(dá)脈沖的傳輸和檢測(cè)之間的時(shí)間。由于光速是已知的數(shù)量,因此可以確定到引起反射的物體的距離。

頻率調(diào)制連續(xù)波技術(shù)--也被用于雷達(dá)--提供了一個(gè)替代的T自由度測(cè)量。fmcw不使用紅外脈沖。取而代之的是,連續(xù)波紅外激光束的頻率(波長)是線性調(diào)制的,隨時(shí)間而產(chǎn)生"叫聲"。"然后可以利用傳輸信號(hào)和接收信號(hào)之間的相位和頻率差來計(jì)算產(chǎn)生反射的表面距離及其速度--但只能以發(fā)射機(jī)相同的運(yùn)動(dòng)方向。

系統(tǒng)不需要計(jì)算不同點(diǎn)云坐標(biāo)反射之間的差異。與T自由度相比,ffcw激光雷達(dá)需要更長的集成時(shí)間,長的相干長度的激光,高效率的耦合,以及更大的計(jì)算能力來生成3d點(diǎn)云。但是,隨著加工能力成本的持續(xù)下降,這可能并不是采用該方法的一個(gè)限制因素。

利達(dá)汽車應(yīng)用

在汽車工業(yè)中,激光雷達(dá)通常是超聲波傳感器、視覺相機(jī)和雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的補(bǔ)充。每一項(xiàng)技術(shù)都有其局限性,但傳感器融合技術(shù)被用來處理和分析從各種傳感器收到的數(shù)據(jù),以建立一個(gè)車輛駕駛環(huán)境的準(zhǔn)確圖像。至關(guān)重要的是,處理過程需要低延遲和高精度的結(jié)果,以確保更安全的機(jī)動(dòng)性--特別是在車輛高速行駛時(shí)。

雖然并非每一個(gè)智能車輛都使用激光雷達(dá),但其應(yīng)用在汽車工業(yè)中正在迅速增長,因?yàn)樗a(chǎn)生的感官信息填補(bǔ)了相機(jī)與雷達(dá)之間的關(guān)鍵缺口,后者具有極好的空間(像素)分辨率,但深度信息較差,而雷達(dá)具有極好的深度分辨率,但空間信息較差。換句話說,雷達(dá)善于探測(cè)物體,但不善于識(shí)別它們是什么。這一點(diǎn)很重要,因?yàn)樗緳C(jī)為了避免撞到小孩而準(zhǔn)備采取的行動(dòng)可能與撞到圍欄柱的行動(dòng)明顯不同。

評(píng)估各種傳感和測(cè)量系統(tǒng)的性能在汽車應(yīng)用中尤其具有挑戰(zhàn)性。原因很簡單,如果出了問題,生命就會(huì)受到威脅。系統(tǒng)在"正常"駕駛條件下可靠運(yùn)行是不夠的。它們必須在溫度、濕度、大氣污染和交通密度等極端情況下表現(xiàn)得同樣好。

從一個(gè)小孩到一群鳥,任何東西都可能是駕駛的危險(xiǎn),如果要維護(hù)安全,所有這些東西的數(shù)據(jù)都必須被識(shí)別、分類,并由ADS和av系統(tǒng)采取行動(dòng)。雖然最重要的考慮永遠(yuǎn)是對(duì)人的生命的風(fēng)險(xiǎn),但汽車品牌獲得不安全聲譽(yù)的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)也可能是災(zāi)難性的。

激光雷達(dá)紅外傳感器發(fā)展的快照

對(duì)于汽車激光雷達(dá)來說,兩種波長是可行的選擇:在國家紅外線范圍內(nèi)為705納米,在SWIR類別下為1550納米。產(chǎn)生紅外脈沖或信號(hào)的激光器以及探測(cè)散射反射光的傳感器的價(jià)格和成熟度是導(dǎo)致這種選擇的主要因素。傳感器技術(shù)的發(fā)展在使激光雷達(dá)成為汽車制造商的可行技術(shù)方面特別有影響。

傳感器通常是基于雪崩光電二極管(APDS)。二極管產(chǎn)生的電流與入射光(光子數(shù))降落在它們的表面成正比,它們具有內(nèi)部放大機(jī)制,使產(chǎn)生的電流增加倍。然而,同樣的機(jī)制會(huì)產(chǎn)生電子噪聲,可能限制內(nèi)部放大的有用水平。放大是通過調(diào)整應(yīng)用于APDS的反向偏差來控制的。

LIDAR傳感器通常是用硅或砷化鎵半導(dǎo)體制造的。圖中顯示了APDS對(duì)紅外波長的相對(duì)響應(yīng)。

硅APDS成本較低,在NIR上有響應(yīng),但在SWIR波長上無響應(yīng)。

同時(shí)也是一種選擇,但是氦二極管的響應(yīng)率比Ingaas低,成本比硅基元件高。

在許多設(shè)計(jì)中,硅光電倍數(shù)鉗(SIPMS)已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的硅APDS。SIPMS不是一個(gè)大面積的載氣管,而是由一系列的微細(xì)胞組成,每一個(gè)微細(xì)胞都充當(dāng)單一的光子雪崩二極管。微細(xì)胞以平行方式連接,并以吉格爾模式工作,在那里單個(gè)光子觸發(fā)雪崩效應(yīng)。

微細(xì)胞平行連接,并在每次檢測(cè)事件后重置,以避免連續(xù)雪崩破壞。SIPMS比硅APDS的主要優(yōu)點(diǎn)之一是它們提供了更高的靈敏度,一直到單個(gè)光子。權(quán)衡是限制動(dòng)態(tài)范圍,傳感器線性度較低,以及由鄰近微電池之間的串?dāng)_引起的檢測(cè)事件錯(cuò)誤信號(hào)。由于光子檢測(cè)在多個(gè)細(xì)胞中同時(shí)發(fā)生,在明亮或陽光下,這尤其具有挑戰(zhàn)性。

在1550納米的范圍內(nèi),英加斯APDS是主要的檢測(cè)設(shè)備。在硅或英加系統(tǒng)上,常采用平衡銷型光電二極管。

激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能取決于幾個(gè)因素,其中最重要的是:

· 激光發(fā)射機(jī)的功率。

· 探測(cè)器的靈敏度。

· 光學(xué)、機(jī)械和電子電路的設(shè)計(jì)和性能.該電路包括模擬放大器、數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字濾波和處理功能。

· 傳輸介質(zhì)對(duì)信號(hào)色散和衰減的影響。

· 需要檢測(cè)的物體的反射率。這取決于它們的尺寸和材料特點(diǎn)。在估計(jì)激光雷達(dá)系統(tǒng)的光子預(yù)算時(shí),最大的挑戰(zhàn)之一是了解可能遇到的現(xiàn)實(shí)目標(biāo)。

系統(tǒng)運(yùn)行情況(NIR)。

傳輸功率大大限制了975NM激光雷達(dá)系統(tǒng)的范圍。參照光譜圖,它顯示出705納米接近可見光的波長。

這就產(chǎn)生了兩個(gè)問題。首先,005毫米的光線可以穿透人的眼睛,損害視網(wǎng)膜。這意味著激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)必須在嚴(yán)格界定的"眼掃描"范圍內(nèi)運(yùn)行。其次,低功率的NIR激光脈沖或信號(hào)容易受到可見光源的干擾,如陽光或迎面而來的車輛前照燈的光--這兩者都可能被視為造成系統(tǒng)內(nèi)的噪音,限制了其靈敏度和精度。因此,950納米的激光雷達(dá)系統(tǒng)或者局限于短距離,或者通常使用大量的激光和探測(cè)器通道--多達(dá)10000個(gè)分離的激光和探測(cè)器--以達(dá)到250米的范圍,并具有汽車工業(yè)所需的角分辨率。

系統(tǒng)性能為1550納米(SWIR)

在1550納米時(shí),由于波長差異大,背景太陽輻射的干擾小,其他光源的干擾就更不成問題。

眼罩問題也得到了緩解,功率水平可能會(huì)比975-NM系統(tǒng)高幾百倍。任何達(dá)到眼睛的1550海里的光線,在到達(dá)視網(wǎng)膜的水平之前,都會(huì)被前層吸收,從而造成損害。

此外,在1550納米時(shí),光在大多數(shù)材料中的散射和吸收都要比705納米時(shí)少。這使它能夠在沒有明顯退化的情況下更遠(yuǎn)的距離旅行,而且其更大的一致性也會(huì)有利于調(diào)頻條約組織激光雷達(dá)的性能。

1550納米傳感器的進(jìn)展

最近在1550NM英加斯紅外傳感器的性能上的一個(gè)進(jìn)步是當(dāng)弗盧克斯技術(shù)宣布它的無噪音英加斯APDS。通過改進(jìn)復(fù)合半導(dǎo)體制造工藝,并在二極管織物上添加硒合金,產(chǎn)生了具有12×相似器件靈敏度的PDS。這一改進(jìn)是通過減少設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的固有噪音而實(shí)現(xiàn)的,這種噪音使內(nèi)部雪崩增益從典型的10到20增加到不造成不可接受的信號(hào)噪聲退化的120。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同,可以計(jì)算出,改變這一可用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的IngaasAPDS的組件,可以使一個(gè)給定激光功率的1550NM激光雷達(dá)系統(tǒng)的范圍增加高達(dá)50%。

其他設(shè)計(jì)上的權(quán)衡是可能的。例如,分辨率可以增加12×而不增加激光功率.或者,可以使用低功率激光器,簡化了機(jī)械和光學(xué)要求,從而降低了成本和尺寸。

這對(duì)未來的汽車激光雷達(dá)意味著什么?

隨著汽車制造商試圖在Adas系統(tǒng)中設(shè)計(jì)安全性、性能和成本的最佳平衡,許多問題仍然沒有答案。

對(duì)于在長途中探測(cè)危險(xiǎn)是否足夠,也許是使用雷達(dá),存在一些爭論,只有當(dāng)車輛接近危險(xiǎn)時(shí),才使用激光雷達(dá)對(duì)危險(xiǎn)進(jìn)行分類。這一方法的有效性尚待充分評(píng)估。

系統(tǒng)需求取決于自主目標(biāo)的水平和驅(qū)動(dòng)環(huán)境。對(duì)于在城市街道上的低速輔助或自主駕駛,挑戰(zhàn)不同于在長途公路上的挑戰(zhàn)。

由于其成本相對(duì)較低,901-NM激光雷達(dá)看來可能繼續(xù)用于短程探測(cè)和成像,但如果要實(shí)現(xiàn)紅外技術(shù)的全部益處,對(duì)1550-NM系統(tǒng)的情況似乎是無可辯駁的。無噪音的IngaasAPDS的引入表明了組件性能的質(zhì)量改進(jìn)如何能夠?qū)す饫走_(dá)技術(shù)在汽車工業(yè)中的可能進(jìn)步產(chǎn)生巨大的影響。