一文了解自動(dòng)駕駛汽車(chē)激光雷達的部件功能

據外媒報道，自動(dòng)駕駛車(chē)輛配置的多款攝像頭，旨在用該設備探查道路上的障礙物并繪制車(chē)輛周邊環(huán)境。在各類(lèi)傳感器中，在功能方面，激光雷達傳感器與人眼最為接近，其光探測和測距系統(detection and ranging system)與雷達類(lèi)似，但其采用了光波替代了無(wú)線(xiàn)電波(radio waves)。

激光雷達系統利用激光脈沖信號“照亮(illuminate)”目標區域，并計算反射信號返回接收器的用時(shí)。該類(lèi)系統由光源、光電探測器、數據處理電子器件及運動(dòng)控制設備。

自動(dòng)駕駛車(chē)輛大體采用了兩類(lèi)激光雷達設備，其分類(lèi)依據為掃描車(chē)輛周邊環(huán)境時(shí)所采用的方式，其中：

1.3D閃光式激光雷達(3D flash LiDAR)由寬視角源及廣視角光學(xué)件構成，旨在聚焦探查設備一次曝光(one exposure)上的所有反射光。

2.掃描式激光雷達系統可向各個(gè)方向發(fā)射激光，逐個(gè)探查回響(echoes)以便繪制車(chē)輛周邊環(huán)境。

激光源(laser source)對激光雷達性能將起到最關(guān)鍵的作用，激光束的品質(zhì)及發(fā)散(divergence)在高側向分辨率(high lateral resolution)方面將起到重要作用。較短的激光脈沖持續時(shí)間(laser pulse duration)和低時(shí)間抖動(dòng)(low timing jitter)可確保良好的縱向精度(longitudinal accuracy)。對獲取遠程搜索(long-range detection)，脈沖能量(Pulse energy)是一項重要參數。此外，高脈沖重復頻率(high pulse repetition rates)可提升掃描速度，從而實(shí)現較高的數據輸出。

600 nm-1000 nm的波長(cháng)通常被用于非科研應用。人眼對該波段的波長(cháng)較為敏感。激光雷達系統的運行波長(cháng)為905 nm，限制其探測范圍。而1.5 um紅外激光器可作為替代品，用于探查遠距離的固體及障礙物，因為該類(lèi)光不會(huì )被人眼吸收，其實(shí)用于高性能應用。此外，該波長(cháng)的光在大氣環(huán)境下通常呈透明的，可被用于高效能的探測器。

脈沖持續時(shí)間是實(shí)現高性能的另一關(guān)鍵性因素。許多短序列脈沖持續時(shí)間只有數皮秒(picoseconds)，有助于實(shí)現毫米級到厘米級縱向分辨率(longitudinal resolution)。

然而，該脈沖較短，容易引起激光光譜(laser spectrum)的增寬，從而降低信號噪聲比(signal-to-noise ratio，SNR)。盡管持續時(shí)間超過(guò)1納秒(nanosecond)的脈沖可消除噪聲，但同樣會(huì )降低系統的分辨率。為在高縱向精度與良好的SNR中取得平衡，當前脈沖持續時(shí)間為數百皮秒。

激光器二極管與光纖激光器(Laser-diodes and fiber-lasers)通常被用于激光雷達系統中。激光器二極管光源通常采用縱向堆棧，這意味著(zhù)將新增一個(gè)堆棧層，使得激光能量(laser powers)超過(guò)1級視力安全激光器的激光能量。

若用垂直腔(vertical-cavity)面發(fā)射激光器(surface-emitting laser)，可降低總輸出功率，并降低該系統功能運轉的最大距離。而光線(xiàn)激光器所提供的脈沖重復頻率：當功率等級為10 W時(shí)，脈沖重復速率為5 kHz。當功率等級為300 W時(shí)，脈沖重復速率為250 kHz。然而，相較于脈沖二極管系統(pulsed-diode systems)，該類(lèi)系統較為昂貴。

激光雷達務(wù)必含有視力安全波長(cháng)，且能夠在黑暗中探查到100米外的目標物，探查精度為10厘米，操作溫度在零下40攝氏度到85攝氏度。