激光雷達由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng) 、信息處理三部分組成。激光雷達的工作原理是利用可見和近紅外光波(多為950nm波段附近的紅外光)發(fā)射、反射和接收來探測物體。根據(jù)結(jié)構(gòu),激光雷達分為機械式激光雷達、固態(tài)激光雷達和混合固態(tài)激光雷達。
機械激光雷達,是指其發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)存在宏觀意義上的轉(zhuǎn)動,也就是通過不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭,將速度更快、發(fā)射更準的激光從“線”變成“面”,并在豎直方向上排布多束激光,形成多個面,達到動態(tài)掃描并動態(tài)接收信息的目的。因為帶有機械旋轉(zhuǎn)機構(gòu),所以機械激光雷達外表上最大的特點就是自己會轉(zhuǎn),個頭較大。
如今機械激光雷達技術(shù)相對成熟,但價格昂貴,暫時給主機廠量產(chǎn)的可能性較低;同時存在光路調(diào)試、裝配復雜,生產(chǎn)周期漫長,機械旋轉(zhuǎn)部件在行車環(huán)境下的可靠性不高,難以符合車規(guī)的嚴苛要求等不足。機械式激光雷達在工作時發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)會一直360度地旋轉(zhuǎn),而混合固態(tài)激光雷達工作時,單從外觀上是看不到旋轉(zhuǎn)的,巧妙之處是將機械旋轉(zhuǎn)部件做得更加小巧并深深地隱藏在外殼之中。
業(yè)內(nèi)普遍認為,混合固態(tài)激光雷達指用半導體“微動”器件(如MEMS掃描鏡)來代替宏觀機械式掃描器,在微觀尺度上實現(xiàn)雷達發(fā)射端的激光掃描方式。MEMS掃描鏡是一種硅基半導體元器件,屬于固態(tài)電子元件;但是MEMS掃描鏡并不“安分”,內(nèi)部集成了“可動”的微型鏡面;由此可見MEMS掃描鏡兼具“固態(tài)”和“運動”兩種屬性,故稱為“混合固態(tài)”。
對于激光雷達來說,MEMS最大的價值在于:原本為了機械式激光雷達實現(xiàn)掃描,必須使激光發(fā)射器轉(zhuǎn)動。而MEMS微機電系統(tǒng)可以直接在硅基芯片上集成體積十分精巧的微振鏡,由可以旋轉(zhuǎn)的微振鏡來反射激光器的光線,從而實現(xiàn)掃描。
這樣一來,激光雷達本身不用再大幅度地進行旋轉(zhuǎn),可以有效降低整個系統(tǒng)在行車環(huán)境出現(xiàn)問題的幾率。另外,主要部件運用芯片工藝生產(chǎn)之后,量產(chǎn)能力也得以大幅度提高,有利于降低激光雷達的成本,可以從上千乃至上萬美元降低到數(shù)百美元。相比于機械式激光雷達,固態(tài)激光雷達結(jié)構(gòu)上最大的特點就是沒有了旋轉(zhuǎn)部件,個頭相對較小。
固態(tài)激光雷達的優(yōu)點包括了:數(shù)據(jù)采集速度快,分辨率高,對于溫度和振動的適應性強;通過波束控制,探測點(點云)可以任意分布,例如在高速公路主要掃描前方遠處,對于側(cè)面稀疏掃描但并不完全忽略,在十字路口加強側(cè)面掃描。而只能勻速旋轉(zhuǎn)的機械式激光雷達是無法執(zhí)行這種精細操作的。從使用的技術(shù)上,固態(tài)激光雷達分為OPA固態(tài)激光雷達和Flash固態(tài)激光雷達。
OPA(optical phased array)光學相控陣技術(shù)。對軍事有所了解的讀者,應該會知道相控陣雷達,美海軍宙斯盾艦上那一塊蜂窩狀的“板子”就是它。而光學相控陣使用的即是原理相同的技術(shù)。OPA運用相干原理(類似的是兩圈水波相互疊加后,有的方向會相互抵消,有的會相互增強),采用多個光源組成陣列,通過控制各光源發(fā)光時間差,合成具有特定方向的主光束。然后再加以控制,主光束便可以實現(xiàn)對不同方向的掃描。
相對于MEMS,這一技術(shù)的電子化更加徹底,它完全取消了機械結(jié)構(gòu),通過調(diào)節(jié)發(fā)射陣列中每個發(fā)射單元的相位差來改變激光的出射角度。因為沒有任何機械結(jié)構(gòu),自然也沒有旋轉(zhuǎn)。所以相比傳統(tǒng)機械式雷達,OPA固態(tài)激光雷達有掃描速度快、精度高、可控性好、體積小等優(yōu)點。但也易形成旁瓣,影響光束作用距離和角分辨率,同時生產(chǎn)難度高。
Flash原本的意思為快閃。而Flash激光雷達的原理也是快閃,不像MEMS或OPA的方案會去進行掃描,而是短時間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光,再以高度靈敏的接收器,來完成對環(huán)境周圍圖像的繪制。因此,F(xiàn)lash固態(tài)激光雷達屬于非掃描式雷達,發(fā)射面陣光,是以2維或3維圖像為重點輸出內(nèi)容的激光雷達。某種意義上,它有些類似于黑夜中的照相機,光源由自己主動發(fā)出。
Flash固態(tài)雷達的一大優(yōu)勢是它能快速記錄整個場景,避免了掃描過程中目標或激光雷達移動帶來的各種麻煩。不過,這種方式也有自己的缺陷,比如探測距離較近。這意味著Flash固態(tài)激光雷達沒有“遠視眼”,在實際使用中不適合遠程探測,而業(yè)內(nèi)專家堅信,全自動駕駛汽車上搭載的激光雷達至少一眼就得看到200到300米外的物體。
其實Flash固態(tài)激光雷達的成本還是相對低,但基于3D Flash技術(shù)的固態(tài)激光雷達,在技術(shù)的可靠性方面還存在問題。
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