激光雷达：从光电技术角度看自动驾驶

　　扫描激光雷达有几种方式。第一种方式，以Velodyne为例(San Jose， CA)，在顶部安装激光雷达平台，该雷达以300～900 rpm的速度旋转并发射出64路905 nm激光的脉冲。每束光束都有一个对应的雪崩光电二极管(APD)探测器。较类似的另一方法是使用旋转的多面镜，每个面的倾斜角度略有不同，从而以不同的方位角和斜角引导反射单个脉冲光束。这两种设计中的机械运动部件都有外部驾驶环境恶劣时的故障风险。

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　　第二种更紧凑的扫描激光雷达，其方法是使用一个微型微机电系统(MEMS)振镜，以二维的方向电引导出一束或多束光束。虽然在技术上仍然有运动部件(振荡镜)，但振荡的幅度很小，频率也很高，足以防止MEMS振镜和汽车之间的机械共振。然而，振镜的几何尺寸限制了它的振荡幅度，这就使得视角变得有限——这是MEMS方法的一个缺点。然而，这种方法由于成本低、可实现度高而受到人们的关注。

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　　光学相控阵列(OPA)技术，是第三种参与竞争的激光雷达技术，它以可靠的“固定部件”设计而日益流行。它由相干光照明的光学天线组成的阵列构成。光束转向是通过独立地控制每个单元发光时的相位和振幅来实现，从而于远场处干涉产生理想照明方向，实现从单光束到多光束的变化。不幸的是，光的损失限制了各种OPA组件的可用范围。

　　闪光激光雷达将目标场景中充满光，而照明区域与探测器的视场相匹配。探测器是探测光学焦平面上的APDs阵列。每个APD独立测量其上图像目标特征的ToF。这是一种真正的“不移动部件”的方法，其中切线方向(垂直、水平)分辨率受到二维探测器像素尺寸的限制。

　　然而，闪光激光雷达的主要缺点是回波光子数量：一旦距离超过数十米，返回光的数量就太少，无法进行可靠的探测。如果不是直接用光覆盖所有探测环境而是采用结构光的形式(例如点阵形式)，且牺牲一定的切线分辨率，则可以提高回波光强度。此外，垂直腔面发射激光器(VCSELs)使得在不同方向同时发射数千束光束的出射成为可能。

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　　摆脱ToF法的限制

　　ToF激光雷达由于其回波脉冲较弱、探测部分电子学设计的宽带较宽而容易受到噪声的影响，而阈值触发则会产生Δt的测量误差。因此，调频连续波(FMCW)激光雷达是一种很有意义的替代方法。

　　在FMCW雷达或啁啾调制雷达中，天线连续发射频率被调制的无线电波。例如，随着时间T从?0线性增加到?max，然后随着T从?max线性减小至?0。如果波在一定距离内的移动物体上反射回发射点，其瞬时频率将与该瞬间发射的无线电波不同。这一差别由两个因素导致：到物体的距离及其相对径向速度。可以通过电子测量方法得到频差，同时计算物体的距离和速度(见下图)。

　　在啁啾雷达中，通过电子测量fB1和fB2，可以确定与反射目标的距离及其径向速度。

　　在啁啾雷达的启发下，FMCW激光雷达可以通过不同的方式获得。在最简单的设计中，人们可以啁啾地调节照亮目标的光强。这个频率受FMCW雷达载波频率的相同规律(例如多普勒效应)的影响，返回的光被光探测器探测到并恢复调制频率，输出被放大并与本身振荡频率混频从而允许测量频移，并由此计算出目标的距离及其速度。

　　但是FMCW激光雷达有一定的局限性，与ToF激光雷达相比，它需要更多的计算能力，因此在生成全三维环绕图时速度较慢，而且测量精度对啁啾时调制时的线性度程度非常敏感。

　　虽然设计一种功能完善的激光雷达系统具有挑战性，但这些挑战都不是不可克服的。随着研究的继续，我们越来越接近于大多数汽车生产结束后就能够完全自动化的时代。