在汽車工業(yè)中,光探測和測距(LIDAR)被用于先進的駕駛輔助系統(tǒng)和自主車輛。雖然并非每一個智能車都使用激光雷達,但它的應用正在迅速增加,因為它所產(chǎn)生的感官信息填補了相機之間的一個關鍵缺口。

激光雷達系統(tǒng)在紅外光譜中運行。紅外線對人類的眼睛是看不到的,它通常探測到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,即紅外技術通常用于溫度測量等。遠紅外線橫跨15米到100米,穿過太赫茲頻率,用于各種治療藥物。

紅外光譜細分。

LIDAR系統(tǒng)基本原理

大多數(shù)激光雷達系統(tǒng)的本質是發(fā)射紅外脈沖,然后檢測和分析它們在物體表面的反射。脈沖是由激光二極管產(chǎn)生的,傳感器是光二極管(PDS)。利用機械或固態(tài)光柵掃描,激光雷達通過收集和處理笛卡爾坐標系集并將其顯示為點云,創(chuàng)建目標環(huán)境的三維地圖。

閃存激光雷達是光柵掃描的一種替代方法。這個系統(tǒng)架構的工作方式類似于傳統(tǒng)的閃光攝影,從一個紅外脈沖中捕捉整個場景或環(huán)境,而不是用旋轉激光器或鏡子一次采集一點數(shù)據(jù)。閃存激光雷達的實時圖像采集具有速度快、機械結構簡單等優(yōu)點,提高了系統(tǒng)的可靠性,降低了系統(tǒng)成本。

閃存激光雷達可以通過射射器通過準直的紅外脈沖來照亮目標區(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像素接收信號的一個離散部分。

在掃描和閃存激光雷達中,飛行時間測量被用來計算激光雷達脈沖的傳輸和檢測之間的時間。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。

頻率調制連續(xù)波技術--也被用于雷達--提供了一個替代的T自由度測量。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)是線性調制的,隨時間而產(chǎn)生"叫聲"。"然后可以利用傳輸信號和接收信號之間的相位和頻率差來計算產(chǎn)生反射的表面距離及其速度--但只能以發(fā)射機相同的運動方向。

系統(tǒng)不需要計算不同點云坐標反射之間的差異。與T自由度相比,ffcw激光雷達需要更長的集成時間,長的相干長度的激光,高效率的耦合,以及更大的計算能力來生成3d點云。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限制因素。

利達汽車應用

在汽車工業(yè)中,激光雷達通常是超聲波傳感器、視覺相機和雷達探測系統(tǒng)的補充。每一項技術都有其局限性,但傳感器融合技術被用來處理和分析從各種傳感器收到的數(shù)據(jù),以建立一個車輛駕駛環(huán)境的準確圖像。至關重要的是,處理過程需要低延遲和高精度的結果,以確保更安全的機動性--特別是在車輛高速行駛時。

雖然并非每一個智能車輛都使用激光雷達,但其應用在汽車工業(yè)中正在迅速增長,因為它所產(chǎn)生的感官信息填補了相機與雷達之間的關鍵缺口,后者具有極好的空間(像素)分辨率,但深度信息較差,而雷達具有極好的深度分辨率,但空間信息較差。換句話說,雷達善于探測物體,但不善于識別它們是什么。這一點很重要,因為司機為了避免撞到小孩而準備采取的行動可能與撞到圍欄柱的行動明顯不同。

評估各種傳感和測量系統(tǒng)的性能在汽車應用中尤其具有挑戰(zhàn)性。原因很簡單,如果出了問題,生命就會受到威脅。系統(tǒng)在"正常"駕駛條件下可靠運行是不夠的。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。

從一個小孩到一群鳥,任何東西都可能是駕駛的危險,如果要維護安全,所有這些東西的數(shù)據(jù)都必須被識別、分類,并由ADS和av系統(tǒng)采取行動。雖然最重要的考慮永遠是對人的生命的風險,但汽車品牌獲得不安全聲譽的財務風險也可能是災難性的。

激光雷達紅外傳感器發(fā)展的快照

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

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,它們具有內部放大機制,使產(chǎn)生的電流增加倍。然而,同樣的機制會產(chǎn)生電子噪聲,可能限制內部放大的有用水平。放大是通過調整應用于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體制造的。圖中顯示了APDS對紅外波長的相對響應。

硅APDS成本較低,在NIR上有響應,但在SWIR波長上無響應。

同時也是一種選擇,但是氦二極管的響應率比Ingaas低,成本比硅基元件高。

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

微細胞平行連接,并在每次檢測事件后重置,以避免連續(xù)雪崩破壞。SIPMS比硅APDS的主要優(yōu)點之一是它們提供了更高的靈敏度,一直到單個光子。權衡是限制動態(tài)范圍,傳感器線性度較低,以及由鄰近微電池之間的串擾引起的檢測事件錯誤信號。由于光子檢測在多個細胞中同時發(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,英加斯APDS是主要的檢測設備。在硅或英加系統(tǒng)上,常采用平衡銷型光電二極管。

激光雷達系統(tǒng)的性能取決于幾個因素,其中最重要的是:

· 激光發(fā)射機的功率。

· 探測器的靈敏度。

· 光學、機械和電子電路的設計和性能.該電路包括模擬放大器、數(shù)字到模擬轉換器以及數(shù)字濾波和處理功能。

· 傳輸介質對信號色散和衰減的影響。

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

系統(tǒng)運行情況(NIR)。

傳輸功率大大限制了975NM激光雷達系統(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。這意味著激光雷達發(fā)射機必須在嚴格界定的"眼掃描"范圍內運行。其次,低功率的NIR激光脈沖或信號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)內的噪音,限制了其靈敏度和精度。因此,950納米的激光雷達系統(tǒng)或者局限于短距離,或者通常使用大量的激光和探測器通道--多達10000個分離的激光和探測器--以達到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,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,功率水平可能會比975-NM系統(tǒng)高幾百倍。任何達到眼睛的1550海里的光線,在到達視網(wǎng)膜的水平之前,都會被前層吸收,從而造成損害。

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

1550納米傳感器的進展

最近在1550NM英加斯紅外傳感器的性能上的一個進步是當弗盧克斯技術宣布它的無噪音英加斯APDS。通過改進復合半導體制造工藝,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。這一改進是通過減少設備內部產(chǎn)生的固有噪音而實現(xiàn)的,這種噪音使內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噪聲退化的120。

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

其他設計上的權衡是可能的。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,簡化了機械和光學要求,從而降低了成本和尺寸。

這對未來的汽車激光雷達意味著什么?

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

對于在長途中探測危險是否足夠,也許是使用雷達,存在一些爭論,只有當車輛接近危險時,才使用激光雷達對危險進行分類。這一方法的有效性尚待充分評估。

系統(tǒng)需求取決于自主目標的水平和驅動環(huán)境。對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)。

由于其成本相對較低,901-NM激光雷達看來可能繼續(xù)用于短程探測和成像,但如果要實現(xiàn)紅外技術的全部益處,對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量改進如何能夠對激光雷達技術在汽車工業(yè)中的可能進步產(chǎn)生巨大的影響。