如何選用汽車(chē)LiDAR的激光器和光電探測器？

　　大氣衰減(在所有的天氣條件下)，從空氣中粒子的散射，以及目標物理表面的反射，都是依賴(lài)于波長(cháng)的。但對于汽車(chē)LiDAR來(lái)說(shuō)，由于天氣條件和反射表面類(lèi)型可能性眾多，這是一個(gè)復雜的問(wèn)題。在現實(shí)的環(huán)境中，由于1550 nm的吸水率比905 nm的更強，其實(shí)905 nm的光損失更少。

　　光電探測器的選擇

　　發(fā)射的脈沖中只有小部分光子到達了光電探測器的有源區域。若大氣衰減不會(huì )隨著(zhù)脈沖路徑發(fā)生變化，則激光的光束發(fā)散角可忽略不計，照明點(diǎn)小于目標，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 為目標反射率，A0為接收器的孔徑面積，η0為探測光的光譜透射，γ為大氣衰減系數。

　　上述方程表明，隨著(zhù)距離 R的增加，接收功率迅速降低。作為參數及R=100 m的合理選擇，光電探測器有源區域上返回的光子數近超過(guò)典型值(發(fā)射1020次)，為其幾百到幾千倍的數量級。而這些光子會(huì )與未攜帶有用信息的環(huán)境光子競爭。

　　使用窄帶濾波器可減少到達探測器的環(huán)境光子數量，但卻不能完全消除。環(huán)境可降低檢測的動(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區間。

　　圖2 飛行時(shí)間(ToF)LiDAR基本設置的詳解

　　在汽車(chē)周?chē)膭?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，或對場(chǎng)景進(jìn)行光覆蓋并收集點(diǎn)云數據。前一種方法被稱(chēng)為掃描式LiDAR，而后者是Flash面陣式LiDAR。

　　有幾種方法可以實(shí)現掃描式LiDAR。第一種方法，以Velodyne(San Jose，CA)公司為例，安裝在車(chē)頂的激光雷達平臺以每分鐘300~900轉的速度旋轉，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(zhuān)用雪崩光電二極管(APD)檢測器。類(lèi)似的方法是使用旋轉多面鏡，在不同方位和下傾角度，以略微不同的傾斜角度來(lái)控制單束脈沖。在惡劣且復雜的駕駛環(huán)境中，這兩個(gè)設計中的運動(dòng)部件都暗藏著(zhù)失敗的風(fēng)險。

　　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(chē)之間的機械共振。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。