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[導(dǎo)讀] 說到“雷達(dá)”,小伙伴們的腦海里大概立馬能蹦出戰(zhàn)爭(zhēng)片中“報(bào)告長(zhǎng)官,雷達(dá)上發(fā)現(xiàn)敵艦靠近!”這樣的對(duì)白。這里所謂的“雷達(dá)”(Ra

說到“雷達(dá)”,小伙伴們的腦海里大概立馬能蹦出戰(zhàn)爭(zhēng)片中“報(bào)告長(zhǎng)官,雷達(dá)上發(fā)現(xiàn)敵艦靠近!”這樣的對(duì)白。這里所謂的“雷達(dá)”(Radar)一般是指利用電磁波探測(cè)目標(biāo)的電子設(shè)備,全稱是Radio DetecTIon and Ranging,無線電探測(cè)和測(cè)距,很多人也叫它“無線電定位”。

不過,接下來我們要介紹的并不知道我們熟悉的這個(gè)“雷達(dá)”概念,而是利用光來進(jìn)行探測(cè)和定位的手段——“激光雷達(dá)”。

什么是激光雷達(dá)?

如今,“激光雷達(dá)”已不是什么陌生的概念了,特別是隨著自動(dòng)駕駛的熱潮,它也備受矚目。

自動(dòng)駕駛

激光雷達(dá)實(shí)際上是一種工作在光學(xué)波段(近紅外)的雷達(dá),最早對(duì)它的定義是LIDAR,即 Light DetecTIon and Ranging。不過,更準(zhǔn)確的應(yīng)該是“LADAR”這種叫法,即Laser DetecTIon and Ranging,激光探測(cè)和測(cè)距。

特點(diǎn)

與同樣在汽車中有著一定應(yīng)用的微波雷達(dá)相比,工作在光學(xué)波段的激光雷達(dá)其頻率比微波高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)以上,有著更高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率。因此,激光雷達(dá)在測(cè)量過程中可帶來距離、角度、反射強(qiáng)度、速度等更豐富的信息,憑借這些數(shù)據(jù)便可生成目標(biāo)多維度的圖像,協(xié)助我們或系統(tǒng)對(duì)探測(cè)目標(biāo)擁有更詳細(xì)的認(rèn)知。

另外,由于激光波長(zhǎng)短,能發(fā)射發(fā)散角非常?。?mu;rad量級(jí))的激光束,多路徑效應(yīng)小,即不會(huì)形成定向發(fā)射,與微波或者毫米波產(chǎn)生多路徑效應(yīng),抗干擾能力強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)低空、超低空目標(biāo)的探測(cè)。而激光主動(dòng)探測(cè)擁有不依賴于外界光照條件或目標(biāo)本身輻射的特性,只需通過探測(cè)自身發(fā)射的激光束的回波信號(hào)來獲取目標(biāo)信息,所以還可實(shí)現(xiàn)全天候的工作。不過,激光雷達(dá)易受大氣條件以及工作環(huán)境的煙塵影響,要實(shí)現(xiàn)全天候的工作環(huán)境在目前來講還是最困難的事情。

原理

實(shí)際上,激光雷達(dá)技術(shù)的前提是激光測(cè)距技術(shù)。我們通常能見到的測(cè)距方法,從大類上可以分為:激光飛行時(shí)間(TIme of Flight,TOF)法和三角法。簡(jiǎn)單來講,它們分別適用于長(zhǎng)距離測(cè)距和短距離測(cè)距。

TOF測(cè)距原理示意

而TOF法又可分為:

a)脈沖調(diào)制(脈沖測(cè)距技術(shù)),利用被測(cè)目標(biāo)對(duì)光信號(hào)的漫反射來測(cè)距;

b)相位調(diào)制,對(duì)激光連續(xù)波進(jìn)行強(qiáng)度的調(diào)制,通過相位差來測(cè)量距離信息。

而激光雷達(dá)對(duì)不同方法的選擇主要取決于它的種類和實(shí)際應(yīng)用。

分類

激光雷達(dá)也分很多類別。從調(diào)制出發(fā),目前主要有直接探測(cè)激光雷達(dá)和相干探測(cè)激光雷達(dá)?,F(xiàn)在常見的,包括自動(dòng)駕駛、機(jī)器人、測(cè)繪所用的,基本上屬于直接探測(cè)激光雷達(dá)。比較特殊的,比如測(cè)風(fēng)、測(cè)速之類的雷達(dá),則一般采用的是相干調(diào)制。

直接探測(cè)類型的激光雷達(dá)應(yīng)用

中國(guó)海洋大學(xué)研發(fā)的車載多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)

圖片來源:qingdaonews.com

如果從應(yīng)用出發(fā),那分類就較多了,比如激光測(cè)距儀、激光三維成像雷達(dá)、激光測(cè)速雷達(dá)、激光大氣探測(cè)雷達(dá)等等。其中,激光三維成像雷達(dá)就包含了我們熟知的激光測(cè)繪,以及自動(dòng)駕駛中的單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)。

自動(dòng)駕駛中激光雷達(dá)是什么樣子?

正如上文提到的,在目前的自動(dòng)駕駛中,有單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)之分。由于在應(yīng)用中需要很高的采樣頻率,在近距離和遠(yuǎn)距離測(cè)量中則分別用到三角測(cè)距法和脈沖測(cè)距法。

其中,單線激光雷達(dá)主要通過一個(gè)高重頻脈沖激光測(cè)距儀,加上一個(gè)一維旋轉(zhuǎn)掃描來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。而它的角分辨率可高于多線激光雷達(dá),所以在行人探測(cè)、障礙物探測(cè)(小目標(biāo)探測(cè))以及前方障礙物探測(cè)等方面上,比多線激光雷達(dá)具有更多優(yōu)勢(shì)。多線方案目前也主要為多路單線集合而成,因而還受到體積和光路的限制。

“長(zhǎng)”在自動(dòng)駕駛汽車頭上的激光雷達(dá)系統(tǒng)

圖片來源:souhu.com

這里可能有人會(huì)問了:“除了避障,為什么還要用激光雷達(dá)來做車道檢測(cè),而不直接使用相機(jī)?ADAS 算法不已非常成熟了嗎?”

原因很簡(jiǎn)單,相機(jī)特別容易受到背景光或者強(qiáng)光的干擾。比如,行駛在林蔭大道時(shí),樹蔭落下斑斑點(diǎn)點(diǎn)的陽光,再結(jié)合白色車道線,相機(jī)就很難辨識(shí),而識(shí)別概率的低下則將造成算法的復(fù)雜化。

相機(jī):哪位小仙女闊以告訴我,車道線在WHERE?!

ADAS算法:……

那么,用激光雷達(dá)來做車道檢測(cè)又有什么好處呢?

首先,激光雷達(dá)用的是紅外激光,這種激光本身在紅外波段的輻射比可見光要低得多。再者,應(yīng)用中會(huì)利用一個(gè)非常窄的濾光片,直接將強(qiáng)背景光濾除,然后再用紅外光進(jìn)行探測(cè)。這樣我們就能獲得一張超高質(zhì)量的車道線圖像,通過圖像的灰度,就能輕松的把車道線檢測(cè)出來??傮w來說,用激光雷達(dá)做車道線檢測(cè),性能會(huì)比相機(jī)更優(yōu)。

相機(jī)、雷達(dá)和激光雷達(dá)的比較

圖片來源:toutiao.com

激光雷達(dá)和一個(gè)了不起的新伙伴

針對(duì)單線和多線激光雷達(dá),高速、高增益且在近紅外波段高靈敏度的單點(diǎn)探測(cè)器APD(雪崩二極管)是目前探測(cè)端的首選。該器件的探測(cè)帶寬普遍在百M(fèi)Hz左右,且在高壓工作時(shí)有幾十倍的增益,能夠大幅增強(qiáng)光電信號(hào)。然而,在百米量級(jí)的探測(cè)中,APD所能達(dá)到的增益效果仍然不能滿足需求。

于是,自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)急需一個(gè)全新小伙伴的出現(xiàn)。這個(gè)小伙伴需要擁有更大的增益,且工作在近紅外光范圍。

Wanted?。。。▓D)

不過,隨著MPPC的誕生,自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)也看到了新的曙光。

MPPC是一種俗稱硅光電倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)的新型光半導(dǎo)體器件,根據(jù)其原理可稱多像素光子計(jì)數(shù)器(Multi-Pixel Photon Counter,MPPC)。其由多個(gè)工作在蓋革模式的APD陣列組成,具有高增益、高探測(cè)效率、快速響應(yīng)、優(yōu)良時(shí)間分辨率和寬光譜響應(yīng)范圍等特點(diǎn)。

當(dāng)MPPC中的一個(gè)像素接收到一個(gè)入射光子時(shí),就會(huì)輸出一個(gè)幅度一定的脈沖,如圖顯示,多個(gè)像素如都接收到入射光子,則每個(gè)像素都會(huì)輸出一個(gè)脈沖,這幾個(gè)脈沖最終會(huì)疊加在一起,由一個(gè)公共輸出端輸出,以此達(dá)到更大的增益。

相比APD,MPPC的增益可達(dá)到105-106,這樣在理論上,可以在更短的時(shí)間內(nèi)得到更長(zhǎng)的距離信息,探測(cè)帶寬也與APD不相上下。另外,擁有小有效面積、更多像素結(jié)構(gòu)的MPPC不僅具備較快的時(shí)間特性(上升時(shí)間僅1ns左右),還可利用它獨(dú)特的光子分辨能力,將不同表面反射率的物體識(shí)別出來,從而達(dá)到測(cè)距同時(shí)分辨物體表面特性的目的。從這些性能上來看,MPPC非常適合脈沖測(cè)距法的應(yīng)用,是自動(dòng)駕駛上一維激光雷達(dá)的理想小伙伴。

MPPC、APD和PIN光電二極管的比較

除了高性能以外,想真正成為激光雷達(dá)的伙伴,應(yīng)用的MPPC器件還必須工作在近紅外光范圍內(nèi),然而這并不是一件容易的事。

一方面,MPPC一般都是P-on-N的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),而近紅外需要N-on-P的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu);另外更重要的一點(diǎn),就是硅基材料要做到近紅外波段是非常困難的,再加上各方面的工藝問題,如今研制成功且實(shí)現(xiàn)可量產(chǎn)的案例少之又少。

然而,隨著2017年初美國(guó)西部光電展(Photonics West)的開幕,一則關(guān)于近紅外MPPC的好消息傳來了!

濱松公司發(fā)布了最新的近紅外MPPC研制成果,推出了紅外增強(qiáng)型MPPC S13720-1325系列。其在905nm處具有較高的探測(cè)效率,響應(yīng)速度快,工作溫度范圍寬,適合各種場(chǎng)合下的激光雷達(dá)應(yīng)用,尤其是使用TOF測(cè)距法的長(zhǎng)距離測(cè)量。現(xiàn)在,也已正式向全球市場(chǎng)開放供應(yīng)。

濱松近紅外MPPC S13720-1325系列

自動(dòng)駕駛?cè)缃袷且粋€(gè)炙手可熱的話題,但是,真正將熱點(diǎn)變?yōu)榇蟊娙粘I畹囊徊糠?,行業(yè)中的創(chuàng)造者們可能還有一段曲折的路要走。其中,激光雷達(dá)作為自動(dòng)駕駛核心技術(shù)之一,也是他們必經(jīng)的挑戰(zhàn)。

而濱松對(duì)近紅外MPPC技術(shù)的攻克,意味著的不僅只是一次半導(dǎo)體技術(shù)的突破,還是一次自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)技術(shù)大步跨躍的可能。讓我們寄期待于這位新伙伴,為自動(dòng)駕駛帶來更好的未來吧!

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