如何選用汽車(chē)LiDAR的激光器和光電探測器？

　　據麥姆斯咨詢(xún)報道，激光雷達(LiDAR)與其它傳感器技術(shù)(攝像頭、雷達和超聲波)的相互競爭增加了對傳感器融合的需求，同時(shí)也要求對光電探測器、光源和MEMS微鏡的仔細甄選。

　　隨著(zhù)傳感器技術(shù)、成像技術(shù)、雷達、LiDAR、電子設備和人工智能技術(shù)的進(jìn)步，數十種先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)功能已得以實(shí)現，包括防撞、盲點(diǎn)監測、車(chē)道偏離報警和停車(chē)輔助。通過(guò)傳感器融合同步此類(lèi)系統的運行，以允許全自動(dòng)駕駛車(chē)輛或無(wú)人駕駛車(chē)輛對周?chē)h(huán)境檢測，并警告駕駛員潛在的道路危險，甚至可以采取獨立于駕駛員的規避動(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分并識別前方物體。使用距離判斷技術(shù)，這些自動(dòng)駕駛汽車(chē)必須快速構建出約100米遠道路的3D地圖，并能在250米遠的距離上創(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，測量能量脈沖從自動(dòng)駕駛汽車(chē)發(fā)出到目標再返回車(chē)輛的往返飛行時(shí)間(ToF)。當知道脈沖通過(guò)空氣的速度時(shí)，就可以計算出反射點(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)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，這是因為L(cháng)iDAR圖像的衍射(光束散度)更小，對鄰近物體識別能力比雷達更優(yōu)秀(見(jiàn)圖1)。對于高速情況下需要足夠時(shí)間來(lái)應對如迎頭相撞等潛在危險，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)出持續時(shí)間為τ的光脈沖，在發(fā)射的瞬間激活計時(shí)電路內部時(shí)鐘(見(jiàn)圖2)。從目標反射的光脈沖到達光電探測器時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一種使時(shí)鐘失效的輸出電信號。這種電子測量往返ToF Δt 可計算出目標到反射點(diǎn)的距離R。

　　若現實(shí)中激光和光電探測器位于同一位置，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(zhù)距離分辨率ΔR：若激光點(diǎn)的直徑大于要解析的目標大小，則測量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)的光電探測器和電子探測器(主要對δΔt有貢獻)和能發(fā)射短時(shí)脈沖的激光(如相對昂貴的皮秒激光)。在典型汽車(chē)LiDAR系統中，激光產(chǎn)生的脈沖持續時(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)或透鏡(LiDAR)的孔徑和波長(cháng)的比值。此比例對于雷達產(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(黑色)無(wú)法區分這兩輛車(chē)，而LiDAR(紅色)則可以

　　對汽車(chē)LiDAR系統設計者來(lái)說(shuō)，最關(guān)鍵的就是選擇光的波長(cháng)。但有以下幾項因素限制了此選擇：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器。

　　最受歡迎的兩種波長(cháng)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(cháng)的光子，而硅基光電探測器通常比探測1550 nm光波的砷化鎵銦(InGaAs)紅外(IR)光電探測器便宜。然而，1550 nm對人眼的安全性更高，允許激光使用的每個(gè)脈沖輻射能量更大——這是光子預算中的重要因素。