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自動駕駛車輛激光雷達(dá)的部件功能

電子設(shè)計(jì) ? 來源:電子設(shè)計(jì) ? 作者:電子設(shè)計(jì) ? 2020-12-26 00:43 ? 次閱讀
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據(jù)外媒報(bào)道,自動駕駛車輛配置的多款攝像頭,旨在用該設(shè)備探查道路上的障礙物并繪制車輛周邊環(huán)境。在各類傳感器中,在功能方面,激光雷達(dá)傳感器與人眼最為接近,其光探測和測距系統(tǒng)(detection and ranging system)與雷達(dá)類似,但其采用了光波替代了無線電波(radio waves)。

激光雷達(dá)系統(tǒng)利用激光脈沖信號“照亮(illuminate)”目標(biāo)區(qū)域,并計(jì)算反射信號返回接收器的用時(shí)。該類系統(tǒng)由光源、光電探測器、數(shù)據(jù)處理電子器件及運(yùn)動控制設(shè)備。

自動駕駛車輛大體采用了兩類激光雷達(dá)設(shè)備,其分類依據(jù)為掃描車輛周邊環(huán)境時(shí)所采用的方式,其中:1、3D閃光式激光雷達(dá)(3D flash LiDAR)由寬視角源及廣視角光學(xué)件構(gòu)成,旨在聚焦探查設(shè)備一次曝光(one exposure)上的所有反射光。2、掃描式激光雷達(dá)系統(tǒng)可向各個(gè)方向發(fā)射激光,逐個(gè)探查回響(echoes)以便繪制車輛周邊環(huán)境。

激光源(laser source)對激光雷達(dá)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(cè)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(xù)時(shí)間(laser pulse duration)和低時(shí)間抖動(low timing jitter)可確保良好的縱向精度(longitudinal accuracy)。對獲取遠(yuǎn)程搜索(long-range detection),脈沖能量(Pulse energy)是一項(xiàng)重要參數(shù)。此外,高脈沖重復(fù)頻率(high pulse repetition rates)可提升掃描速度,從而實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)輸出。

600 nm-1000 nm的波長通常被用于非科研應(yīng)用。人眼對該波段的波長較為敏感。激光雷達(dá)系統(tǒng)的運(yùn)行波長為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(yuǎn)距離的固體及障礙物,因?yàn)樵擃惞獠粫蝗搜畚?,其?shí)用于高性能應(yīng)用。此外,該波長的光在大氣環(huán)境下通常呈透明的,可被用于高效能的探測器。

脈沖持續(xù)時(shí)間是實(shí)現(xiàn)高性能的另一關(guān)鍵性因素。許多短序列脈沖持續(xù)時(shí)間只有數(shù)皮秒(picoseconds),有助于實(shí)現(xiàn)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(xù)時(shí)間超過1納秒(nanosecond)的脈沖可消除噪聲,但同樣會降低系統(tǒng)的分辨率。為在高縱向精度與良好的SNR中取得平衡,當(dāng)前脈沖持續(xù)時(shí)間為數(shù)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(dá)系統(tǒng)中。激光器二極管光源通常采用縱向堆棧,這意味著將新增一個(gè)堆棧層,使得激光能量(laser powers)超過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(tǒng)功能運(yùn)轉(zhuǎn)的最大距離。而光線激光器所提供的脈沖重復(fù)頻率:當(dāng)功率等級為10 W時(shí),脈沖重復(fù)速率為5 kHz。當(dāng)功率等級為300 W時(shí),脈沖重復(fù)速率為250 kHz。然而,相較于脈沖二極管系統(tǒng)(pulsed-diode systems),該類系統(tǒng)較為昂貴。

激光雷達(dá)務(wù)必含有視力安全波長,且能夠在黑暗中探查到100米外的目標(biāo)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。

審核編輯:符乾江


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