在快速发展的高级驾驶辅助系统和自动驾驶车辆传感系统中,激光雷达正迅速获得越来越多的关注和部署,并成为发展趋势。激光雷达技术的实现方法有多种。本文详解了不同解决方案各自的优缺点,并详细介绍了相干激光雷达探测的相对优势。

激光探测与测距雷达的概念最早出现于20世纪30年代,实际上与无线电探测与测距雷达差不多同时出现。然而,直到20世纪60年代出现激光器后,激光雷达技术才得到实际应用。后来,随着光通信技术的发展,激光器和光调制技术都取得了长足的进步。

2008年,首个汽车商用激光雷达系统(最初称为“光学雷达”)在沃尔沃乘用车上首次亮相。这项开创性的技术,为首批自动紧急制动(AEB)系统提供了保证,使车辆能够自主采取制动措施,防止或减轻追尾事故(不过,该系统中的激光雷达后来被普通雷达所取代,成为AEB的低成本替代)。

自该系统问世后的15年来,高分辨率激光雷达迅速发展成为自动驾驶汽车计划的关键性高分辨率传感器,并催生了多家资金雄厚的创新型初创企业。由于能够提供更远的距离、更高的分辨率以及车辆周围环境的实时三维可视化图像,如今这项成熟的技术不仅成为自动驾驶的重要传感模式,而且还能作为乘用车和商用车队的高级驾驶辅助系统(ADAS)的有效补充。

激光雷达传感器利用红外光谱中的光子,来探测和创建周围环境的三维图像。事实证明,激光雷达在汽车应用中非常受欢迎。与普通雷达相比,激光雷达的主要优点是所采用的光波长很短,因此可以进行精确测量。此外,与摄像头相比,激光雷达可以在任何光照条件下工作,而且探测范围更大。激光雷达传感数据的采集可作为“点阵云”进行查看(见图1)。

图1:激光雷达“点阵云”示例。

在开发激光雷达系统时,确实有许多因素需要考虑,例如使用什么波长、采用什么扫描方法以及如何处理干扰等。然而,要做的最大系统决策却是如何以最佳方式探测返回的光子。目前主要有两种相互竞争的解决方案,即直接探测和相干探测。

直接探测

在直接探测系统中,激光脉冲发射时实际上是启动一个计时器,而当接收到激光脉冲的回波时,该计时器停止。最终根据开关之间的时间差来计算距离,见图2。

图2:由于光速(C)是恒定的,到目标的距离就等于ΔtC/2,其中Δt是光子传输开始到接收到的光子前沿之间的时间差。

对于50米以内的距离,不需要高质量的可调谐单模激光器(因为它只是一个在短时间内挤压出大量光子的光源),也不需要调制,这就简化了驱动电路。也不需要精密光学器件来补偿波前畸变。

该方案的探测距离较短,为什么?因为覆盖区域随着距离的增加而增加,回波功率也会随之减小(与距离的平方成反比)。其计算公式为:Pr=PtσAr/πAtd2。(式中:Pr为回波功率,Pt为发射功率,σ为目标反射截面积,Ar为接收面积,At为波束照射面积,d为距离)。由于链路损耗是无法避免的,因此最简单的解决办法就是发射更大的功率或提高接收机灵敏度。

不过,激光功率也是有限制的。高功率的近红外(IR)光(800~1400ηm)会对人的视力产生损害。在ADAS或自动驾驶汽车应用中,单靠提高近红外光的发射功率,会对其他道路使用者和行人造成危险。

在提高接收器灵敏度方面,可以使用面积更大的接收透镜来增加光子收集量。此外,还可以使用雪崩光电二极管(APD,具有本征增益的光电二极管),不过它们往往价格昂贵、易碎且体积小(从而使系统光学更加复杂),而且在自身噪声成为问题之前只能提供大约15倍的增益。其他类型的传感器,如盖革模式雪崩光电探测器(GMAPD)和单光子雪崩探测器(SPAD),虽然在直接探测激光雷达系统中具有更高的灵敏度,但在多雪、多尘或多雾的环境中性能不佳。

此外,所有探测系统都需要某种形式的抗干扰措施。无论是普通雷达还是激光雷达,系统都需要知道接收器接收到的(无论是脉冲无线电波还是光子)是自身发射信号的反射信号。实际上,干扰问题在脉冲汽车雷达的应用初期就已出现了。那么,一旦许多汽车都配备了雷达,相互干扰就成了大问题。

还有,直接探测激光雷达的另一个局限是它不能直接测量每点的速度,而必须通过判断距离随时间的变化来计算(即比较多个后续帧),这将会影响系统的响应速度。

为了解决上述各种问题,业界推出了新的解决方案,最流行的是采用相干探测技术,即大部分雷达系统都采用的频率调制连续波(FMCW)。

相干探测和FMCW

相干探测需要将接收光与发射光样本混合,这样做有两大好处。首先,通过结构性干扰(即接收信号与发射信号相乘),可实现无噪声放大的光子增益,从而使系统能够利用极低功率的激光器,来实现极佳的灵敏度。其次,发射和接收信号的混合,使激光雷达系统具有很强的选择性,因为波长不完全相同的光线(如阳光或来自相邻激光雷达系统的光线)将会被忽略。

相干探测激光雷达系统有不同的实现方法,但最常用的是频率调制连续波(FMCW)制式。图3给出了一个简化示例。

图3:激光器的工作波长约为1550ηm,调制频率为几百MHz(例如从1550.002~1550ηm)。

发射信号(和反射信号)约为200THz。光学混合后,光电二极管得到两个信号的和与差。光电二极管的带宽有限,对高达约400THz的和信号反应迟钝,而只能检测到几百MHz的差信号。

在实际应用中,激光在频域进行上下扫频,以产生锯齿轮廓(频率与时间的关系),再从中得出距离和速度;速度值基于多普勒效应。图4显示了更为详细的光学元件。

图4:FMCW激光雷达系统的主要光学元件。

尽管FMCW激光雷达比直接探测系统更为复杂,但其优点也很多。如前所述,回波信号与从发射源(图4中的本地振荡器LO)提取的样本进行乘运算。即使样本只有本振的百分之几,也会比回波信号大得多,原因是激光雷达的链路损耗很高。虽然信号放大量非常大,但只放大波长完全相同的信号,因此光子效率很高。

例如,一个距离约为300米的FMCW激光雷达系统,所需的激光功率还不到200mW。而类似的直接探测系统要达到相同的探测距离,则需要1千倍以上的峰值功率。另外,值得注意的是,FMCW还是其他领域中激光雷达的核心。例如,光学测高仪的测距可达几千米,用于风力特征描述的多普勒激光雷达仪器的测距也超过500米。

相干激光雷达的另一个优点是信号链的带宽相当低。比如图3中的波长(激光为1550.002~1550ηm),光电二极管的带宽可限制在几百MHz。而直接探测系统需要尽可能宽的带宽(通常超过2GHz),才能分辨接收脉冲的前沿。

有一点时易于理解的,即较窄的带宽允许在光电二极管上采用噪声较低的跨阻放大器和速度较慢的模数转换器。

最后,相干探测可提供每点的速度信息。每点速度信息的好处在于,它是后续感知系统在解读激光雷达(和其他传感器)数据时可以使用的额外关联指标,有可能使决策更加明智。

(参考原文:why-coherent-lidar-is-gaining-traction-in-adas-and-automotive-sensing

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