激光雷达分类多种多样 比如按发射波形可分为脉冲型和连续型 按探测方式可分为直接探测和相干探测 按线束可分为单线和多线等 本文将按扫描方式将雷达进行分类介绍 机械式激光雷达1.1 机械旋转式激光雷达机械旋转式激光雷达 (图源: Velodyne官网) 优点:
缺点:
混合固态激光雷达混合固态激光雷达用“微动”器件来代替宏观机械式扫描器,在微观尺度上实现雷达发射端的激光扫描。旋转幅度和体积的减小,可有效提高系统可靠性,降低成本。 2.1 MEMS阵镜激光雷达MEMS振镜是一种硅基半导体元器件,属于固态电子元件;它是在硅基芯片上集成了体积十分精巧的微振镜,其核心结构是尺寸很小的悬臂梁——反射镜悬浮在前后左右各一对扭杆之间以一定谐波频率振荡,由旋转的微振镜来反射激光器的光线,从而实现扫描。硅基MEMS微振镜可控性好,可实现快速扫描,其等效线束能高达一至两百线,因此,要同样的点云密度时,硅基MEMS Lidar的激光发射器数量比机械式旋转Lidar少很多,体积小很多,系统可靠性高很多。 优点:
缺点:
主要存在的问题: (1)振镜尺寸问题: 远距离探测需要较大的振镜,不但价格贵,对快轴/慢轴负担大,材质的耐久疲劳度存在风险,难以满足车规的DV、PV的可靠性、稳定性、冲击、跌落测试要求。 (2)悬臂梁: 硅基MEMS的悬臂梁结构实际非常脆弱,快慢轴同时对微振镜进行反向扭动,外界的振动或冲击极易直接致其断裂。 故障的悬臂梁 (图源:无人驾驶网) MEMS激光雷达点云数据 (图源:RoboSense) 2.2 旋转扫描镜激光雷达作为首款量产的L3级别自动驾驶的乘用车——奥迪A8上搭载的激光雷达就是旋转扫描镜激光雷达。与机械旋转激光雷达不同的是,其激光发射模块和接收模块是不动的,只有扫描镜在做机械旋转。激光单元发出激光至旋转扫描镜(Mirror),被偏转向前发射(扫描角度145°),被物体反射的光经光学系统被左下方的探测器接收。 Scala内部图 (图源:搜狐) 优点:
缺点:
2.3 楔形棱镜旋转收发模块的PLD(Pulsed Laser Diode)发射出激光,通过反射镜和凸透镜变成平行光,扫描模块的两个旋转的棱镜改变光路,使激光从某个角度发射出去。激光打到物体上,反射后从原光路回来,被APD接收。 Livox Lidar的工作原理示意图 (图源:Livox官网) 与MEMS Lidar相比,它可以做到很大的通光孔径,距离也会测得较远。与机械旋转Lidar相比,它极大地减少了激光发射和接收的线数,降低了对焦与标定的复杂度,大幅提升生产效率,降低成本。 优点:
缺点:
Livox的点云分布图 (图源:Livox官网) 2.4 二维扫描振镜激光雷达这类激光雷达的核心元件是两个扫描器——多边形棱镜和垂直扫描振镜,分别负责水平和垂直方向上的扫描。特点是扫描速度快,精度高。比如:一个四面多边形,仅移动八条激光器光束(相当于传统的8线激光雷达),以5000rpm速度扫描,垂直分辨率为2667条/秒,120度水平扫描,在10Hz非隔行扫描下,垂直分辨率达267线。 Luminar激光雷达内部解剖图 (图源:Luminar) 优点:
缺点:
纯固态激光雷达3.1 Flash激光雷达Flash激光雷达采用类似Camera的工作模式,但感光元件与普通相机不同,每个像素点可记录光子飞行时间。由于物体具有三维空间属性,照射到物体不同部位的光具有不同的飞行时间,被焦平面探测器阵列探测,输出为具有深度信息的“三维”图像。根据激光光源的不同,Flash 激光雷达可以分为脉冲式和连续式,脉冲式可实现远距离探测(100米以上),连续式主要用于近距离探测(数十米)。 Flash激光雷达的优势在于能够快速记录整个场景,避免了扫描过程中目标或Lidar自身运动带来的误差。其缺点是探测距离近。 Flash Lidar的工作示意图 (图源:LeddarTech官网) 发射模组:Flash激光雷达采用的是垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL),比其他激光器更小、更轻、更耐用、更快、更易于制造,并且功率效率更高。 接收模组:Flash激光雷达的性能主要取决于焦平面探测器阵列的灵敏度。焦平面探测器阵列可使用PIN型光电探测器,在探测器前端加上透镜单元并采用高性能读出电路,可实现短距离探测。对于远距离探测需求,需要使用到雪崩型光电探测器,其探测的灵敏度高,可实现单光子探测,基于APD的面阵探测器具有远距离单幅成像、易于小型化等优点。 优点:
缺点:
3.2 光学相控阵激光雷达(OPA)很多军用Lidar使用OPA(Optical Phased Array)光学相控阵技术。OPA运用相干原理,采用多个光源组成阵列,通过调节发射阵列中每个发射单元的相位差,来控制输出的激光束的方向。OPA激光雷达完全是由电信号控制扫描方向,能够动态地调节扫描角度范围,对目标区域进行全局扫描或者某一区域的局部精细化扫描,一个激光雷达就可能覆盖近/中/远距离的目标探测。 Quanergy固态激光雷达 (图源:Quanergy官方视频截图) 优点:
缺点:
3.3 调频连续波FMCW激光雷达以三角波调频连续波为例来介绍其测距/测速原理。蓝色为发射信号频率,红色为接收信号频率,发射的激光束被反复调制,信号频率不断变化。激光束击中障碍物被反射,反射会影响光的频率,当反射光返回到检测器,与发射时的频率相比,就能测量两种频率之间的差值,与距离成比例,从而计算出物体的位置信息。FMCW的反射光频率会根据前方移动物体的速度而改变,结合多普勒效应,即可计算出目标的速度。 FMCW原理² 优点:
缺点:
FMCW与常见的TOF测距原理的对比: 系统简单,成本低 平均功率低 测距精度高 能探测出切向运动的目标 环境光的抗干扰性比FMCW稍差 波段接近人眼可响应的范围 环境光抗干扰能力强 1550nm波长对人眼安全更有利 除距离和intensity信息外还能得到速度信息 系统复杂度高,成本高 平均能耗高 不能探测出切向运动的目标(比如横穿马路的人/车) 发展趋势激光雷达是实现无人驾驶的重要传感器部件之一。评价一款激光雷达产品,要从性能、技术成熟度、成本、“车规”化等多个维度去衡量。 总的看来,激光雷达固态化会持续推进,技术仍然有很长的探索期。 参考文献:1.Sandborn, P. A. M. (2017). FMCW Lidar: Scaling to the Chip-Level and Improving Phase-Noise-Limited Performance. eScholarship, University of California.2.SENSING-AIOT.(2021). LiDAR: FMCW vs. ToF. http:///?p=2723.AEye, Inc.(2021)Time of Flight vs. FMCW LiDAR Side-by-Side Comparison FMCW sToF_21_0113. 4.Liu, Z., Zhang, F., & Hong, X. (2021). Low-cost retina-like robotic lidars based on incommensurable scanning. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 4.http://www./news/show.php?itemid=5301 5.https://www./fmcw-the-future-of-lidar_N9691.html 6.https://www.sohu.com/a/345121853_467791 7.https:/// 8.https://www./zh 9.https://www./ 10.https://www./ 11.https:/// 12.https://zhuanlan.zhihu.com/p/344876823 |
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