走进自动驾驶传感器-激光雷达

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和1550nm的激光发射器,波长为1550纳米的光线不容易在人眼液体中传输,这意味着采用波长为1550纳米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。

 

而测距原理上目前主要以飞行时间(time of flight)法为主,利用发射器发射的脉冲信号和接收器接受到的反射脉冲信号的时间间隔来计算和目标物体的距离。

 

也有使用相干法,即为调频连续波(FMCW)激光雷达发射一束连续的光束,频率随时间稳定地发生变化。由于源光束的频率在不断变化,光束传输距离的差异会导致频率的差异,将回波信号与本振信号混频并经低通滤波后,得到的差频信号是光束往返时间的函数。调频连续波激光雷达不会受到其他激光雷达或太阳光的干扰且无测距盲区;还可以利用多普勒频移测量物体的速度和距离。调频延续波LiDAR概念并不新颖,但是面对的技术挑战不少,例如发射激光的线宽限制、线性调频脉冲的频率范围、线性脉冲频率变化的线性度,以及单个线性调频脉冲的可复制性等。

 

调幅连续波(AMCW)激光雷达与基本的飞行时间系统相似的是,调幅连续波激光雷达发射一个信号,测量激光反射回来的时间。但区别在于,时间飞行系统只发射一个脉冲,调幅连续波LiDAR通过改变激光二极管中的极电流来调整发射光强度,从而实现调制。

 

激光雷达应用于测绘主要有测距、定位以及地表物体的三维绘制;其达作为一种重要的传感器,目前正在自动驾驶领域和无人飞行器领域得到广泛应用。

岭纬单线激光雷达搭载无人机

LiDAR的结构

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),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。

激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。

机械式

以Velodyne 2007年推出了一款激光雷达为例,它把64个激光器垂直堆叠在一起,使整个单元每秒旋转许多次。发射系统和接收系统存在物理意义上的转动,也就是通过不断旋转发射器,将激光点变成线,并在竖直方向上排布多束激光发射器形成面,达到3D扫描并接收信息的目的。但由于通过复杂的机械结构实现高频准确的的转动,平均的失效时间仅1000-3000小时,难以达到车厂最低13000小时的要求。

Velodyne 64线激光雷达结构示意图

固态式(MEMS)

利用微电子机械系统的技术驱动旋镜,反射激光束指向不同方向。固态激光雷达的优点包括了:数据采集速度快,分辨率高,对于温度和振动的适应性强;通过波束控制,探测点(点云)可以任意分布,例如在高速公路主要扫描前方远处,对于侧面稀疏扫描但并不完全忽略,在十字路口加强侧面扫描。而只能匀速旋转的机械式激光雷达是无法执行这种精细操作的。

激光雷达厂商 岭纬科技

光学相控阵式(OPA)

相控阵发射器由若干发射接收单元组成阵列,通过改变加载在不同单元的电压,进而改变不同单元发射光波特性,实现对每个单元光波的独立控制,通过调节从每个相控单元辐射出的光波之间的相位关系,在设定方向上产生互相加强的干涉从而实现高强度光束,而其他方向上从各个单元射出的光波彼此相消。组成相控阵的各相控单元在程序的控制下可使一束或多束高强度光束按设计指向实现空域扫描。

相控阵激光雷达原理示意图

但光学相控阵的制造工艺难度较大,这是由于要求阵列单元尺寸必需不大于半个波长,普通目前激光雷达的任务波长均在1微米左右,这就意味着阵列单元的尺寸必需不大于500纳米。而且阵列数越多,阵列单元的尺寸越小,能量越往主瓣集中,这就对加工精度要求更高。此外,材料选择也是十分关键的要素。

泛光面阵式(FLASH)

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或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。

硬件参数

我们以目前最为成熟的车载MEMS式激光雷达为例,讲解其关键的硬件参数。

视场角与分辨率

激光雷达视场角分为水平视场角和垂直视场角,水平视场角即为在水平方向上可以观测的角度范围,旋转式激光雷达旋转一周为360°,所以水平视场角为360°。垂直视场角为在垂直方向上可以观测的角度,一般为40°。而它并不是对称均匀分布的,因为我们主要是需要扫描路面上的障碍物,而不是把激光打向天空,为了良好的利用激光,因此激光光束会尽量向下偏置一定的角度。并且为了达到既检测到障碍物,同时把激光束集中到中间感兴趣的部分,来更好的检测车辆,激光雷达的光束不是垂直均匀分布的,而是中间密,两边疏。下图是禾赛64线激光雷达的光束示意图,可以看到激光雷达的有一定的偏置,向上的角度为15°,向下的为25°,并且激光光束中间密集,两边稀疏。

禾赛64线激光雷达光束分布

回波模式

由于激光接收器是接收发射器发射的激光,可能存在一个发射器穿过多个物体,对应的一个接收器接收到多个回波的情况。而回波模式即是调整输出的数据包内包含的内容,在单回波模式下,每一个数据块包括64个激光通道的测距数据,可选择为最强回波还是最后回波。在双回波模式下,每两个数据块对应64个激光在同一轮发光测距的不同回波数据,比如同时包含最强回波和最晚回波。

点频

即周期采集点数,因为激光雷达在旋转扫描,因此水平方向上扫描的点数和激光雷达的扫描频率有一定的关系,扫描越快则点数会相对较少,扫描慢则点数相对较多。一般这个参数也被称为水平分辨率,比如激光雷达的水平分辨率为0.2°,那么扫描的点数为360°/0.2°=1800,也就是说水平方向会扫描1800次。

那么激光雷达旋转一周,即一个扫描周期内扫描的点数为1800*64=115200。比如禾赛64线激光雷达,扫描频率为10Hz的时候水平角分辨率为0.2°,在扫描频率为20Hz的时候角分辨率为0.4°(扫描快了,分辨率变低了)。输出的点数和计算的也相符合115200 pts/s。

有效检测距离

激光雷达是一个收发异轴的光学系统(其实所有的机械雷达都是),也就是说,发射出去的激光光路,和返回的激光光路,并不重合。这主要是因为激光发射器和接收器不能做在一起导致的,此方案本身便存在小量的误差。现在很多方案,都是向着共轴努力。

激光雷达的测距精度,随着距离的变化而变化。有几个原因:

我们这里说的激光雷达,是指 TOF 激光雷达,TOF 测距,靠的是 TDC 电路提供计时,用光速乘以单向时间得到距离,但限于成本,TDC 一般由 FPGA 的进位链实现,本质上是对一个低频的晶振信号做差值,实现高频的计数。所以,测距的精度,强烈依赖于这个晶振的精度。而晶振随着时间的推移,存在累计误差;

距离越远,接收信号越弱,雷达自身的寻峰算法越难以定位到最佳接收时刻,这也造成了精度的劣化;

而由于激光雷达检测障碍物的有效距离和最小垂直分辨率有关系,也就是说角度分辨率越小,则检测的效果越好。如果两个激光光束之间的角度为0.4°,那么当探测距离为200m的时候,两个激光光束之间的距离为200m*tan0.4°≈1.4m。也就是说在200m之后,只能检测到高于1.4m的障碍物了。如果需要知道障碍物的类型,那么需要采用的点数就需要更多,距离越远,激光雷达采样的点数就越少,可以很直接的知道,距离越远,点数越少,就越难以识别准确的障碍物类型。