對(duì)于LiDAR（激光雷達(dá)）來(lái)說(shuō)，一種類型的激光并不能適用于所有情況：系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需了解實(shí)際應(yīng)用環(huán)境及性能需求后，才能對(duì)光源進(jìn)行選擇。

 

據(jù)報(bào)道，對(duì)激光探測(cè)和測(cè)距（LiDAR）系統(tǒng)、服務(wù)于自動(dòng)駕駛汽車產(chǎn)業(yè)的零部件制造商來(lái)說(shuō)，合并及收購(gòu)活動(dòng)極其瘋狂，同時(shí)其他行業(yè)也加入LiDAR狂熱大軍。

 

豐田最新自動(dòng)駕駛平臺(tái)增加LiDAR

 

LiDAR系統(tǒng)使用脈沖激光照射目標(biāo)區(qū)域，并測(cè)量反射信號(hào)返回接收器所需的時(shí)間。LiDAR系統(tǒng)一般包括：激光源或其它發(fā)射器、靈敏的光電探測(cè)器或其它接收器、同步和數(shù)據(jù)處理電子系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備或微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）掃描鏡（二選一），均是基于精確的激光掃描組件并可用于創(chuàng)建3D地圖或收集近距離數(shù)據(jù)。

 

LiDAR系統(tǒng)簡(jiǎn)示圖

 

LiDAR工作原理圖

 

據(jù)了解，在這些所需的組件中，激光本身就有助于提升整個(gè)系統(tǒng)的性能。比如，激光光束質(zhì)量和發(fā)散角是負(fù)責(zé)LiDAR制圖的橫向（x軸和y軸）分辨率，而短脈沖持續(xù)時(shí)間和時(shí)間抖動(dòng)則是負(fù)責(zé)縱向（z軸）的精度。再比如，脈沖能量是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)程的關(guān)鍵參數(shù)，而高脈沖重復(fù)率則可提升掃描速度并提高數(shù)據(jù)吞吐量。

 

 

高峰值功率（幾十千瓦至幾十兆瓦）脈沖（納秒范圍）的固態(tài)激光器已用于LiDAR數(shù)十年，尺寸、重量、成本、功耗、液體冷卻、沖擊與振動(dòng)靈敏度，以及極端環(huán)境限制了LiDAR儀器在移動(dòng)設(shè)備、空中和空間應(yīng)用中的發(fā)展。但像意大利Bright Solutions這樣的公司，近日開發(fā)出新一代高功率、亞納秒、通過空氣或熱傳導(dǎo)冷卻的Q開關(guān)固態(tài)激光器。此類激光器可打破以往的限制，并提供從紫外線到近紅外的多種激光波長(zhǎng)。

 

Bright Solutions公司的固態(tài)激光器

 

對(duì)于機(jī)載地形測(cè)繪，通常使用波長(zhǎng)約為1µm的激光光源，這種波長(zhǎng)可使光波在保證用眼安全的前提下將投射范圍擴(kuò)展到足夠大。而對(duì)于海洋測(cè)繪（即海底和沿海地區(qū)的高分辨率測(cè)繪），常使用一種高能量的、頻率倍增的532 nm的激光光源，這是由于綠色光的波長(zhǎng)是純水的高透波率與潛艇微粒的有限反向散射之間最合適的折中。

 

機(jī)載地形測(cè)繪示意圖

 

如果單考慮成本和能耗，532 nm至1 µm的波長(zhǎng)通常是有益的，但若要達(dá)到相對(duì)較遠(yuǎn)的距離，激光的強(qiáng)度就很容易超過1類激光安全極限。這種情況下，如果光波沒有達(dá)到符合用眼安全的直徑（從而增加系統(tǒng)尺寸），激光發(fā)射就會(huì)對(duì)人眼造成傷害。

 

不同波長(zhǎng)激光眼損傷部位

 

民用和商業(yè)應(yīng)用中，保證用眼安全的激光器在高性能緊湊型LiDAR中越來(lái)越受歡迎。在用眼安全的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，當(dāng)在地形測(cè)繪和避障中探測(cè)固體時(shí)，通常需要約紅外激光器發(fā)射1.5 µm的波長(zhǎng)。事實(shí)上，大氣情況良好時(shí)，探測(cè)器在1.5 µm范圍內(nèi)是非常高效的?；蛘?，約355 nm或更短的紫外線波長(zhǎng)是保證用眼安全的大氣LiDAR系統(tǒng)的最佳選擇，因?yàn)榇髿馕⒘Ｓ邢鄬?duì)較高的反向散射系數(shù)。

 

除了考慮波長(zhǎng)，脈沖持續(xù)時(shí)間是否也很重要？理想情況下，LiDAR的設(shè)計(jì)者們希望達(dá)到毫米到厘米級(jí)的縱向測(cè)量分辨率，因此應(yīng)該考慮短脈沖持續(xù)時(shí)間。即便如此，非常短的脈沖（約幾皮秒）也會(huì)導(dǎo)致激光光譜和接收機(jī)帶寬的擴(kuò)大，從而使信噪比變差。另一方面，脈沖超過1納秒，噪聲減少，但分辨率也會(huì)降低。使脈沖持續(xù)時(shí)間達(dá)到約幾百皮秒（或亞納秒），這是高縱向精度和信噪比的最佳權(quán)衡方案。

 

這里我們?cè)敿?xì)介紹自動(dòng)駕駛車輛LiDAR的激光選擇。

 

 

據(jù)ABI Research最近的一項(xiàng)調(diào)查顯示，到2026年1月，汽車上的LiDAR設(shè)備數(shù)量將達(dá)到6900萬(wàn)部。正如Keopsys集團(tuán)（拉尼翁，法國(guó)）的Frederic Chiquet、研發(fā)經(jīng)理Guillaume Canat和首席執(zhí)行官M(fèi)arc le Flohic所解釋的那樣，現(xiàn)存兩類主要的自動(dòng)駕駛汽車LiDAR系統(tǒng)：3D Flash LiDAR和掃描式LiDAR。

 

Flash LiDAR使用的是廣角發(fā)射源和廣角光學(xué)系統(tǒng)（例如魚眼鏡頭），將在單個(gè)發(fā)射過程中獲得的反散射光集中于矩陣探測(cè)器上，以獲得用于模擬車輛周圍區(qū)域的所有飛行時(shí)間（ToF）數(shù)據(jù)。相反地，掃描式LiDAR可以逐行地處理3D環(huán)境；光在每個(gè)方向上依次發(fā)射，對(duì)應(yīng)的回聲由探測(cè)器逐個(gè)檢測(cè)。符合用眼安全的激光源必須以脈沖模式工作，光束需強(qiáng)大到能夠探測(cè)到100米外穿深色衣服的行人，工作溫度為-40到85°C，并且可發(fā)射出測(cè)距精度達(dá)10厘米的脈沖。

 

許多LiDAR光源是基于激光二極管，也有非制冷光纖激光器，較激光二極管有諸多的優(yōu)勢(shì)，如擁有高功率光束分裂和使用光纖路由到多個(gè)傳感器位置的能力。使用主振蕩器功率放大器（MOPA）結(jié)構(gòu)中，一種典型的1550 nm LiDAR的光纖激光器的脈沖重復(fù)率達(dá)到5~250 kHz，功率水平分別為10~15 kW和200~300 W。

 

脈沖激光二極管和光纖激光源用于自動(dòng)駕駛汽車LiDAR的應(yīng)用對(duì)比研究如下。

 

自動(dòng)駕駛車輛LiDAR應(yīng)用中脈沖激光二極管和光纖激光器來(lái)源的比較（來(lái)源：Keopsys集團(tuán)）

 

專用于自動(dòng)駕駛汽車的脈沖激光二極管是混合器件。激光芯片安裝在由MOSFET晶體管觸發(fā)的電容器中。每當(dāng)晶體管的柵極開啟時(shí)，電容器內(nèi)積累的電荷就會(huì)被釋放到芯片中，從而釋放出光脈沖。盡管此類型光源的性價(jià)比不錯(cuò)，相比昂貴的1550nm InGaAs光電二極管，其905 nm的輸出很容易被硅探測(cè)器檢測(cè)到，但激光二極管具有有限的脈沖重復(fù)率和較低的峰值功率，并且受到過熱效應(yīng)的限制。

 

3D Flash LiDAR的激光二極管光源是基于二極管堆疊技術(shù)，用幾個(gè)邊緣發(fā)射器垂直封裝在一起，每層之間均由一層薄的散熱片隔開以防內(nèi)部過熱。不幸的是，非相干堆疊增加會(huì)導(dǎo)致輸出功率高，這樣通常不能滿足1類用眼安全的需求。盡管VCSEL是一種比疊加技術(shù)性價(jià)比更高的替代方案，但其較弱的輸出功率將其限制在短程ToF的應(yīng)用中。

 

（來(lái)源：麥姆斯咨詢）