走进自动驾驶传感器-激光雷达

徐工

激光雷达,也称光学雷达(LIght Detection And Ranging)是激光探测与测距系统的简称,它通过测定传感器发射器与目标物体之间的传播距离,分析目标物体表面的反射能量大小、反射波谱的幅度、频率和相位等信息,从而呈现出目标物精确的三维结构信息。

自上世纪60年代激光被发明不久,激光雷达就大规模发展起来。目前激光雷达厂商主要使用波长为 905nm 1550nm 的激光发射器,波长为 1550nm 的光线不容易在人眼液体中传输,这意味着采用波长为 1550nm 激光的激光雷达的功率可以相当高,而不会造成视网膜损伤。更高的功率,意味着更远的探测距离,更长的波长,意味着更容易穿透粉尘雾霾。但受制于成本原因,生产波长为1550纳米的激光雷达,要求使用昂贵的砷化镓材料。厂商更多选择使用硅材料制造接近于可见光波长的 905nm 的激光雷达,并严格限制发射器的功率,避免造成眼睛的永久性损伤。

激光雷达主要包括激光发射、接收、扫描器、透镜天线和信号处理电路组成。激光发射部分主要有两种,一种是激光二极管,通常有硅和砷化镓两种基底材料,再有一种就是目前非常火热的垂直腔面发射(VCSEL)(比如 iPhone 上的 LiDAR),VCSEL 的优点是价格低廉,体积极小,功耗极低,缺点是有效距离比较短,需要多级放大才能达到车用的有效距离。

光雷达主要应用了激光测距的原理,而如何制造合适的结构使得传感器能向多个方向发射激光束,如何测量激光往返的时间,这便区分出了不同的激光雷达的结构。

激光雷达目前主要分为机械式 ,混合固态式,光学相控阵式(OPA),泛光面阵式(FLASH)几种。其中泛光面阵式是目前全固态激光雷达中最主流的技术,其原理也就是快闪,它不像 MEMS OPA 的方案会去进行扫描,而是短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光,再以高度灵敏的接收器,来完成对环境周围图像的绘制。这里不做一一介绍。

从当前的趋势上来看,固态激光雷达取消了机械结构,能够击中目前机械旋转式的成本和可靠性的痛点,是激光雷达的发展方向。除了这两大迫切解决的痛点外,目前量产的激光雷达探测距离不足,仅能满足低速场景(如厂区内、校园内等)的应用。日常驾驶、高速驾驶的场景仍在测试过程中。

当前机械式激光雷达的价格十分昂贵,Velodyne 在售的 64/32/16 线产品的官方定价分别为 8 /4 /8 千美元。一方面,机械式激光雷达由发射光源、转镜、接收器、微控马达等精密零部件构成,制造难度大、物料成本较高;另一方面,激光雷达仍未大规模进入量产车、需求量小,研发费用等固定成本难以摊薄。量产 100 万台 VLP-32后,那么其售价将会降至 400 美元左右,再往后只会更低。

在环境监测传感器中,超声波雷达主要用于倒车雷达以及自动泊车中的近距离障碍监测,摄像头、毫米波雷达和激光雷达则广泛应用于各项 ADAS 功能中。四类传感器的探测距离、分辨率、角分辨率等探测参数各异,对应于物体探测能力、识别分类能力、三维建模、抗恶劣天气等特性优劣势分明。各种传感器能形成良好的优势互补,融合传感器的方案已成为主流的选择。