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一文了解自动驾驶车辆激光雷达的部件功能

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讯 据外媒报道,自动驾驶车辆配置的多款摄像头,旨在用该设备探查道路上的障碍物并绘制车辆周边环境。在各类传感器中,在功能方面,激光雷达传感器与人眼最为接近,其光探测和测距系统(detection and ranging system)与雷达类似,但其采用了光波替代了无线电波(radio waves)。

激光雷达系统利用激光脉冲信号“照亮(illuminate)”目标区域,并计算反射信号返回接收器的用时。该类系统由光源、光电探测器、数据处理电子器件及运动控制设备。

自动驾驶车辆大体采用了两类激光雷达设备,其分类依据为扫描车辆周边环境时所采用的方式,其中:1、3D闪光式激光雷达(3D flash LiDAR)由宽视角源及广视角光学件构成,旨在聚焦探查设备一次曝光(one exposure)上的所有反射光。2、扫描式激光雷达系统可向各个方向发射激光,逐个探查回响(echoes)以便绘制车辆周边环境。

激光源(laser source)对激光雷达性能将起到最关键的作用,激光束的品质及发散(divergence)在高侧向分辨率(high lateral resolution)方面将起到重要作用。较短的激光脉冲持续时间(laser pulse duration)和低时间抖动(low timing jitter)可确保良好的纵向精度(longitudinal accuracy)。对获取远程搜索(long-range detection),脉冲能量(Pulse energy)是一项重要参数。此外,高脉冲重复频率(high pulse repetition rates)可提升扫描速度,从而实现较高的数据输出。

600 nm-1000 nm的波长通常被用于非科研应用。人眼对该波段的波长较为敏感。激光雷达系统的运行波长为905 nm,限制其探测范围。而1.5 um红外激光器可作为替代品,用于探查远距离的固体及障碍物,因为该类光不会被人眼吸收,其实用于高性能应用。此外,该波长的光在大气环境下通常呈透明的,可被用于高效能的探测器。

脉冲持续时间是实现高性能的另一关键性因素。许多短序列脉冲持续时间只有数皮秒(picoseconds),有助于实现毫米级到厘米级纵向分辨率(longitudinal resolution)。

然而,该脉冲较短,容易引起激光光谱(laser spectrum)的增宽,从而降低信号噪声比(signal-to-noise ratio,SNR)。尽管持续时间超过1纳秒(nanosecond)的脉冲可消除噪声,但同样会降低系统的分辨率。为在高纵向精度与良好的SNR中取得平衡,当前脉冲持续时间为数百皮秒。

激光器二极管与光纤激光器(Laser-diodes and fiber-lasers)通常被用于激光雷达系统中。激光器二极管光源通常采用纵向堆栈,这意味着将新增一个堆栈层,使得激光能量(laser powers)超过1级视力安全激光器的激光能量。

若用垂直腔(vertical-cavity)面发射激光器(surface-emitting laser),可降低总输出功率,并降低该系统功能运转的最大距离。而光线激光器所提供的脉冲重复频率:当功率等级为10 W时,脉冲重复速率为5 kHz。当功率等级为300 W时,脉冲重复速率为250 kHz。然而,相较于脉冲二极管系统(pulsed-diode systems),该类系统较为昂贵。

激光雷达务必含有视力安全波长,且能够在黑暗中探查到100米外的目标物,探查精度为10厘米,操作温度在零下40摄氏度到85摄氏度。(本文图片选自azom.com)



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