激光雷達(dá)(LiDAR)是當(dāng)前正在改變世界的傳感器，它廣泛應(yīng)用于自動駕駛汽車、無人機、自主機器人、衛(wèi)星、火箭等。激光通過測定傳感器發(fā)射器與目標(biāo)物體之間的傳播距離（Time of Flight,TOF）(如圖1所示)，分析目標(biāo)物體表面的反射能量大小、反射波譜的幅度、頻率和相位等信息，輸出點云，從而呈現(xiàn)出目標(biāo)物精確的三維結(jié)構(gòu)信息。
圖1 激光雷達(dá)測距及點云
激光雷達(dá)是由激光發(fā)射單元和激光接收單元組成，發(fā)射單元的工作方式是向外發(fā)射激光束層，層數(shù)越多，精度也越高(如圖2所示)，不過這也意味著傳感器尺寸越大。發(fā)射單元將激光發(fā)射出去后，當(dāng)激光遇到障礙物會反射，從而被接收器接收，接收器根據(jù)每束激光發(fā)射和返回的時間，創(chuàng)建一組點云，高質(zhì)量的激光雷達(dá)，每秒最多可以發(fā)出200多束激光。
圖2 不同激光束形成的激光點云
對于激光的波長，目前主要使用使用波長為905nm和1550nm的激光發(fā)射器，波長為1550nm的光線不容易在人眼液體中傳輸。故1550nm可在保證安全的前提下大大提高發(fā)射功率。大功率能得到更遠(yuǎn)的探測距離，長波長也能提高抗干擾能力。但是1550nm激光需使用InGaAs，目前量產(chǎn)困難。故當(dāng)前更多使用Si材質(zhì)量產(chǎn)905nm的LiDAR。通過限制功率和脈沖時間來保證安全性。
01.
激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)
激光雷達(dá)的關(guān)鍵部件按照信號處理的信號鏈包括控制硬件DSP（數(shù)字信號處理器）、激光驅(qū)動、激光發(fā)射發(fā)光二極管、發(fā)射光學(xué)鏡頭、接收光學(xué)鏡頭、APD（雪崩光學(xué)二極管）、TIA（可變跨導(dǎo)放大器）和探測器，如圖3所示。其中除了發(fā)射和接收光學(xué)鏡頭外，都是電子部件。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速演進(jìn)，性能逐步提升的同時成本迅速降低。但是光學(xué)組件和旋轉(zhuǎn)機械則占具了激光雷達(dá)的大部分成本。
圖3 激光雷達(dá)的關(guān)鍵部件
02.
激光雷達(dá)的種類
目前市面上有不同種類的激光雷達(dá)，按驅(qū)動方式可分為機械式、MEMS、相控陣、泛光面陣式（FLASH）。
機械式
以Velodyne 2007年推出的64線雷達(dá)為例。它把64個激光器垂直堆疊在一起，以20rpm速度旋轉(zhuǎn)。簡單理解就是通過旋轉(zhuǎn)將激光點變成線，通過64線堆疊將線轉(zhuǎn)化為面，得到點云數(shù)據(jù)獲取3D環(huán)境信息。
機械式結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，同時點云的測量又需要對安裝進(jìn)行精確定位。考慮環(huán)境和老化的影響，平均的失效時間僅1000-3000小時，難以達(dá)到車廠最低13000小時的要求。且由于LiDAR安裝在車頂，民用領(lǐng)域需考慮外界養(yǎng)護(hù)的問題，如洗車的影響。因此機械式結(jié)構(gòu)極大的限制了成本和應(yīng)用推廣。
MEMS
MEMS激光雷達(dá)利用微電子機械系統(tǒng)的技術(shù)驅(qū)動旋鏡，反射激光束指向不同方向。
固態(tài)激光雷達(dá)的優(yōu)點包括了：數(shù)據(jù)采集速度快，分辨率高，對于溫度和振動的適應(yīng)性強；通過波束控制，探測點（點云）可以任意分布，例如在高速公路主要掃描前方遠(yuǎn)處，對于側(cè)面稀疏掃描但并不完全忽略，在十字路口加強側(cè)面掃描。而只能勻速旋轉(zhuǎn)的機械式激光雷達(dá)是無法執(zhí)行這種精細(xì)操作的。
典型應(yīng)用有法雷奧SCALA激光雷達(dá)。目前應(yīng)用在奧迪A8(第一款L3級的自動駕駛車輛)。安裝在前保險杠位置，使用MEMS技術(shù)得到145°的掃描角度，80m的探測距離。
圖4 奧迪A8的激光雷達(dá)
相控陣（OPA）
光相控陣?yán)走_(dá)原理：主要利用光的干涉原理。可以通過改變不同縫中入射光線的相位差即可改變光柵衍射后中央明紋（主瓣）的位置，如下圖所示。
圖5 相控陣?yán)走_(dá)的原理
相控陣（OPA）的優(yōu)缺點
優(yōu)點：
結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小：由于不需要旋轉(zhuǎn)部件，可以大大壓縮雷達(dá)的結(jié)構(gòu)和尺寸，提高使用壽命，并降低成本。
標(biāo)定簡單：機械式激光雷達(dá)由于光學(xué)結(jié)構(gòu)固定，適配不同車輛往往需要精密調(diào)節(jié)其位置和角度，固態(tài)激光雷達(dá)可以通過軟件進(jìn)行調(diào)節(jié)，大大降低了標(biāo)定的難度。
掃描速度快：不用受制于機械旋轉(zhuǎn)的速度和精度，光學(xué)相控陣的掃描速度取決于所用材料的電子學(xué)特性，一般都可以達(dá)到MHz量級。
掃描精度高：光學(xué)相控陣的掃描精度取決于控制電信號的精度，可以達(dá)到千分之一度量級以上。
可控性好：光學(xué)相控陣的光束指向完全由電信號控制，在允許的角度范圍內(nèi)可以做到任意指向，可以在重點區(qū)域進(jìn)行高密度的掃描。
多目標(biāo)監(jiān)控：一個相控陣面可以分割為多個小模塊，每個模塊分開控制即可同時鎖定監(jiān)控多個目標(biāo)。
缺點：
掃描角度有限：調(diào)節(jié)相位最多只能讓中央明紋改變約±60°，實際做到360°采集的話一般需要6個。
旁瓣問題：光柵衍射除了中央明紋外還會形成其他明紋，這一問題會讓激光在最大功率方向以外形成旁瓣，分散激光的能量。
加工難度高：光學(xué)相控陣要求陣列單元尺寸必須不大于半個波長，一般目前激光雷達(dá)的工作波長均在1微米左右，故陣列單元的尺寸必須不大于500nm。而且陣列密度越高，能量也越集中，這都提高了對加工精度的要求，需要一定的技術(shù)突破。
接收面大、信噪比差：傳統(tǒng)機械雷達(dá)只需要很小的接收窗口，但固態(tài)激光雷達(dá)卻需要一整個接收面，因此會引入較多的環(huán)境光噪聲，增加了掃描解析的難度。
泛光面陣式（FLASH）
泛光面陣式的原理類似TOF相機，也就是快閃，它不像MEMS或OPA的方案會去進(jìn)行掃描，而是短時間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，再以高度靈敏的接收器，來完成對環(huán)境周圍圖像的繪制。它運行起來更像攝像頭。激光束會直接向各個方向漫射，因此只要一次快閃就能照亮整個場景。隨后，系統(tǒng)會利用微型傳感器陣列采集不同方向反射回來的激光束。
圖6 泛光式激光雷達(dá)
Flash LiDAR 的一大優(yōu)勢是它能快速記錄整個場景，避免了掃描過程中目標(biāo)或激光雷達(dá)移動帶來的各種麻煩。當(dāng)前的發(fā)展方向有2個，一種是蓋格模式APD的單光子計數(shù)型直接對光子計數(shù)生成數(shù)字圖像；一種是傳統(tǒng)的CMOS光強模擬采集得到強度圖，將強度圖轉(zhuǎn)化為距離信息。
03.
激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)傳輸
LiDAR由于數(shù)據(jù)量較大，當(dāng)前的控制架構(gòu)中，基本采用將每個光點的原始數(shù)據(jù)發(fā)回到中央控制器處理，所以通常會采用FlexRay或以太網(wǎng)此類高帶寬的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。如法雷奧的SCALA在1代采用Flexray，2代則開始使用以太網(wǎng)。
以目前最普遍的旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)為例，其數(shù)據(jù)為10hz，即LiDAR在0.1s時間內(nèi)轉(zhuǎn)一圈，并將硬件得到的數(shù)據(jù)按照不同角度切成不同的packet，而每一個packet包含了當(dāng)前扇區(qū)所有點的數(shù)據(jù)，包含每個點的時間戳，每個點的xyz數(shù)據(jù)，每個點的發(fā)射強度，每個點來自的激光發(fā)射機的id等信息。而如最新的Livox Horizon激光雷達(dá)，也包含了多回波信息及噪點信息。
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