上海維立勝衡傳感器有限公司
上海維立勝衡傳感器有限公司
閱讀：50發(fā)布時間：2025-3-7
光探測和測距（激光雷達）最初概念化于20世紀30年代，與無線電探測和測距（雷達）幾乎同時出現(xiàn)。然而，直到20世紀60年代激光器出現(xiàn)后，該技術才得到驗證，隨后幾年，光通信的發(fā)展導致激光器和光調制技術取得了重大進步。
2008年，個商用激光雷達系統(tǒng)（最初稱為“光學雷達”）在沃爾沃乘用車上亮相。這項突破性技術為自動緊急制動(AEB)系統(tǒng)之一提供動力，使車輛能夠自動制動以防止或減輕追尾碰撞。
繼15年前早期推出（隨后被雷達取代，作為AEB的更便宜替代品）之后，高分辨率激光雷達迅速發(fā)展成為自動駕駛汽車計劃的關鍵高分辨率傳感器，并培育了多種技術創(chuàng)新且資金充足的初創(chuàng)企業(yè)。該技術提供更遠的范圍、的分辨率和車輛周圍環(huán)境的實時3D可視化，現(xiàn)已日趨成熟，成為一種重要的傳感器模式，不僅適用于自動駕駛，而且還可以補充乘用車的高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)和商業(yè)船隊。
激光雷達傳感器發(fā)射紅外光譜中的光子來檢測并創(chuàng)建周圍環(huán)境的3D圖像。事實證明，它們在汽車應用中非常受歡迎。與雷達相比，激光雷達的主要優(yōu)點是所使用的光具有非常短的波長，這使得能夠進行精確的測量。此外，與攝像頭相比，激光雷達可以在任何照明條件下工作，并且具有更好的檢測范圍。激光雷達傳感器捕獲的數(shù)據(jù)可以視為“點云”（見圖1）。
開發(fā)激光雷達系統(tǒng)時需要考慮很多事情，例如使用什么波長、掃描方法以及如何處理干擾。然而，系統(tǒng)要做的決策是如何地檢測返回的光子。有兩個主要競爭者，即直接檢測與相干檢測。
在直接檢測系統(tǒng)中，發(fā)射激光脈沖，有效地啟動計時器。當接收到激光脈沖的回波時，它會停止，并根據(jù)經(jīng)過的時間計算距離。
對于長達約50m的距離，不需要高質量的可調諧單模激光器（因為它只是在短時間內壓縮大量光子的源）或調制，從而簡化了驅動電路。也不需要精密光學器件來補償波前畸變。
為什么射程短？隨著照明面積隨著距離的增加而增加，返回功率也會減少（作為距離的平方）。這種損耗是無法避免的，因此的解決方案是傳輸更多功率或提高接收器靈敏度。
注：計算公式為：返回功率約等于發(fā)射功率x（目標面積/照射面積）x（接收面積/（πx范圍2））
然而，可以使用的激光功率是有限的。強烈的近紅外(IR)光（800至1400ηm）會損害人類視力。簡單地增加ADAS或自動駕駛汽車應用中近紅外光的傳輸功率會對其他道路使用者和行人造成危險。
為了提高接收靈敏度，可以使用更大面積的接收透鏡來增加光子收集。此外，還可以使用雪崩光電二極管（APD，具有固有增益的光電二極管），盡管它們往往價格昂貴、易碎且體積?。ㄟ@使系統(tǒng)光學進一步復雜化），并且在自生噪聲變得之前只能提供約15倍的增益。一個問題。其他傳感器類型，例如蓋革模式雪崩光電探測器(GMAPD)??和單光子雪崩探測器(SPAD)，在直接探測激光雷達系統(tǒng)中提供更好的靈敏度，但在多雪、多塵或有霧的環(huán)境中效果不佳。
此外，所有檢測系統(tǒng)都需要某種形式的干擾緩解措施。無論是雷達還是激光雷達，系統(tǒng)都需要知道接收器正在接收的信號（無論是脈沖無線電波還是光子）來自發(fā)射器。干擾問題在脈沖汽車雷達的早期就已經(jīng)出現(xiàn)。一旦很多汽車都配備了雷達，相互干擾就成了問題。的解決方案是改用相干檢測技術，其中雷達系統(tǒng)主要采用調頻連續(xù)波（FMCW-見下文）。
直接檢測激光雷達的另一個限制是它不直接測量每點速度-相反，必須通過確定范圍如何隨時間變化（即比較多個后續(xù)幀）來計算，這可能會損害系統(tǒng)響應能力。
這涉及將入射光與透射光樣本混合，這樣做有兩個主要好處。首先，可以通過相長干涉（即接收信號乘以發(fā)射信號）實現(xiàn)光子增益的無噪聲放大，從而使系統(tǒng)能夠利用極低功率的激光器實現(xiàn)出色的靈敏度。其次，混合發(fā)送和接收信號使激光雷達系統(tǒng)具有很強的選擇性，因為波長不相同的光（例如陽光或來自相鄰激光雷達系統(tǒng)的光）會被簡單地忽略。
實現(xiàn)相干檢測LiDAR系統(tǒng)的方法有多種，但的是調頻連續(xù)波(FMCW)調制。
在實踐中，激光以頻率上下掃描以產(chǎn)生鋸齒形輪廓（頻率與時間），從中可以得出距離和速度；關于后者，請考慮多普勒效應。
盡管比直接檢測系統(tǒng)更復雜，但FMCW激光雷達的優(yōu)點很多。例如，如上所述，返回信號乘以從發(fā)射源（本地振蕩器）獲取的樣本。由于激光雷達的路徑損耗很高，即使只有百分之幾的LO也會比返回信號大得多。信號放大量非常高，但于相同波長的信號，這導致高光子效率。
例如，用小于200mW的激光功率就可以實現(xiàn)約300m范圍的FMCW激光雷達系統(tǒng)。對于相同的范圍，類似的直接檢測系統(tǒng)需要1000倍的峰值功率。值得注意的是，F(xiàn)MCW是其他領域激光雷達的核心；例如，范圍可達數(shù)公里的光學測高儀器和范圍超過500m的用于風表征的激光多普勒激光雷達儀器。
相干激光雷達的另一個好處是信號鏈的帶寬相當?shù)?。如果我們考慮圖3中的波長（其中激光從1550.002掃描到1550ηm），光電二極管帶寬可以限制在幾百MHz。直接檢測系統(tǒng)需要盡可能寬的帶寬（通常超過2GHz），以便解析接收脈沖的前沿。
可以理解的是，較窄的帶寬允許在光電二極管上使用較低噪聲的互阻抗放大器和較慢的模數(shù)轉換器。
最后，相干檢測提供每點速度信息。每點速度的好處在于，它是后續(xù)感知系統(tǒng)在解釋激光雷達（和其他傳感器）數(shù)據(jù)時可以使用的附加上下文度量，從而有可能做出更明智的決策。
因此，相干檢測的各種好處是顯著的，但相干激光雷達也并非沒有挑戰(zhàn)。
激光器必須能夠在足夠長的時間內保持其相位完整性，以便其光線到達最遠的目標并從最遠的目標返回。如果激光的相位在傳輸時間內發(fā)生很大變化，則可能會失去相干性，并可能導致距離測量模糊。此外，它必須是調頻的（在FMCW的情況下）。大多數(shù)二極管激光器都無法勝任這項任務，但商業(yè)市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些半導體可調諧激光器。
此外，并非所有掃描機制都與相干檢測兼容。接收器需要觀察每個點足夠長的時間，以允許光到達并從盡可能遠的目標返回，因為返回信號需要與傳輸信號混合。例如，300m的范圍要求掃描機構保持靜止至少2μs，但許多連續(xù)移動的掃描機構無法做到這一點。
最后，必須指出的是，相干激光雷達的信號處理任務明顯大于直接檢測。幸運的是，半導體制造商已經(jīng)推出了功能*的片上系統(tǒng)(SoC)產(chǎn)品，將數(shù)據(jù)轉換器、微控制器和DSP與FFT加速器集成在一起，以滿足這些信號處理需求。
不同的激光雷達應用受益于不同的設計方法。如前所述，在空中地面勘測等需要超遠距離且激光雷達系統(tǒng)相互干擾或傷害人眼的風險很小的應用中，高功率脈沖直接探測可以很好地發(fā)揮作用。
然而，對于ADAS和自動地面車輛等需要<1公里范圍的應用，并且很可能部署其他潛在干擾的激光雷達系統(tǒng)，相干檢測（尤其是FMCW）具有多個優(yōu)勢。這些包括抗干擾性（包括太陽能）、高信噪比（在惡劣天氣條件下很重要）、本地高精度速度檢測（為感知系統(tǒng)提供附加信息）以及易于系統(tǒng)修改。由于這些原因，考慮到多種用例，特別是下一代汽車傳感，相干激光雷達檢測越來越受到歡迎。
儀表網(wǎng) 設計制作，未經(jīng)允許翻錄必究 .? ? ?
請輸入賬號
請輸入密碼
請輸驗證碼