激光雷达：从光电技术角度看自动驾驶【8BETSPORTS官网(中国)官方网站·IOS/手机版APP下载/APP】

本文摘要：激光雷达和与之竞争的传感器技术（照相机、雷达和超声波）强化了对传感器融合的必须，也对严肃慎重地自由选择光电探测器、光源和MEMS振镜明确提出了更高的拒绝。

激光雷达和与之竞争的传感器技术（照相机、雷达和超声波）强化了对传感器融合的必须，也对严肃慎重地自由选择光电探测器、光源和MEMS振镜明确提出了更高的拒绝。传感器技术、光学、雷达、光观测技术及测距技术（激光雷达）、电子技术和人工智能的变革，使数十种先进设备的驾驶员辅助系统（ADAS）以求构建，还包括防撞、盲点监测、车道背离预警和行驶辅助等。

通过传感器融合构建这些系统的实时运营，可以让几乎自动驾驶的车辆监控周围环境，并警告驾驶员潜在的道路危险性，甚至采行独立国家于驾驶员的逃离行动以避免撞击。自动驾驶汽车还必需在高速状态下区分和辨识前方的物体。

通过测距技术，这些自动驾驶汽车必需较慢建构一张大约100m距离内的三维（3D）地图，并在超过250m距离范围内创立高角分辨率的图像。如果驾驶员不到场，车辆的人工智能必需作出最佳决策。

已完成这一任务的几种基本方法之一，就是测量能量脉冲从自动驾驶车辆到目标再行回到车辆的来往飞行中时间（ToF）。当告诉“脉冲”通过空气的速度时，就可以计算出来到光线点的距离——脉冲可以是超声波（声纳）、无线电波（雷达）或光（激光雷达）。

在这三种ToF技术中，激光雷达是获取更高角度分辨率图像的最佳自由选择，因为它具备更加小的散射特性和光束收敛度，可以比微波雷达更佳地辨识邻接物体。这种低角度分辨率在高速下尤为重要，可以获取充足的时间来应付潜在的危险性，如迎面而来撞击。

激光光源的自由选择在ToF激光雷达中，激光升空持续时间为τ的脉冲，在升空瞬间启动时定点电路中的内部时钟（下文有图示）。从目标光线的光脉冲抵达光电探测器，切换产生电信号输入使时钟暂停计时。

这种测量来往ToFΔt时间的方式可以计算出来到光线点的距离R。如果激光和光电探测器实质上坐落于同一方位，则距离由下公式确认：中c是真空中光速，n是传播介质的折射率（对空气来说约为1），影响距离分辨率ΔR的因素有两个：测量Δt时的不确认度δΔt和脉冲宽度的造成的空间误差w（w＝cτ）。

以第一个因素代表测距分辨率ΔR＝1／2cδΔτ，而以第二个代表测距分辨率ΔR＝1／2w＝1／2cτ。如果以5cm的分辨率测量距离，上述关系式分别意味著δΔt约为300ps，τ约为300ps。飞行中时间激光雷达拒绝光电探测器和其后的电子学系统具备较小的时间晃动（δΔτ的主要贡献因素）以及需要升空较短脉长时间的脉冲激光器，例如比较便宜的皮秒激光器。

目前典型的汽车激光雷达系统中的激光器产生大约4ns持续时间的脉冲，所以增大光束收敛是适当的。光束收敛各不相同波长和升空天线尺寸（微波雷达）或透镜孔径大小（激光雷达）的比值。

微波雷达这一比值较小，因此收敛度更大，角度分辨率较低。图中微波雷达（黑色）将无法区分这两辆车，而激光雷达（红色）可以。对汽车激光雷达系统设计者来说，最关键的自由选择之一是光波长。

制约这一自由选择的因素有几个：·对人类视觉的安全性·在大气中的传播特性·激光的可用性和光电探测器的可用性两种最风行的波长是905和1550nm，905nm的主要优点是硅在该波长处吸取光子，而硅基光电探测器一般来说比观测1550nm光所须要的铟镓砷（InGaAs）近红外探测器低廉。可用作自动驾驶激光雷达的滨松近红外MPPC（硅光电大幅提高管），在905nm一处具备较高的观测效率，响应速度慢，工作温度范围长，合适各种场合下的激光雷达应用于，特别是在是用于TOF测距法的长距离测量。然而，1550nm的人类视觉安全性度更高，可以用于单脉冲更大电磁辐射能量的激光——这是光波长自由选择的一个最重要因素。

1550nm探测器滨松InGaAsAPDG8931大气波动（在所有天气条件下）、空气中粒子的衍射以及目标表面的反射率都与波长有关。由于有各种各样有可能的天气条件和光线表面，对于这些条件下汽车激光雷达波长的自由选择来说是一个简单的问题。在大多数实际情况下，905nm处的光损失更加小，因为在1550nm处的水分的吸收率比905nm处要大。

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