雷射雷達LIDAR的工作原理及特點應用分析

2020-11-22 電子發燒友

雷射雷達LIDAR的工作原理及特點應用分析

發表於 2019-08-26 11:03:00

最近Velodyne挑起的雷射雷達LiDAR專利之戰成為了業界熱點。可以說在嚴苛的自動駕駛系統中雷射雷達成為一種不可替代的傳感器。今天讓我們詳細聊聊雷射雷達LIDAR是怎麼回事。

什麼是雷射雷達LIDAR

雷射雷達LiDAR的全稱為Light Detection and Ranging雷射探測和測距，又稱光學雷達。

雷射雷達的工作原理：對人畜無害的紅外光束Light Pluses發射、反射和接收來探測物體。能探測的對象：白天或黑夜下的特定物體與車之間的距離。甚至由於反射度的不同，車道線和路面也是可以區分開來的。哪些物體無法探測：光束無法探測到被遮擋的物體。

雷射雷達LiDAR示意圖

車用雷射雷達工作原理就是蝙蝠測距用的回波時間（Time of Flight，縮寫為TOF）測量方法。但要知道光速是每秒30萬公裡。要區分目標釐米級別的精確距離，那對傳輸時間測量解析度必須做到1納秒。要如此精確的測量時間，因此對應的測量系統的成本就很難降到很低，需要使用巧妙的方法降低測量難度。

是不是覺得很高深難懂？我們直接看動畫吧。

雷射雷達LiDAR工作原理

通過旋轉的機械鏡面測量雷射發出和收到回波的時間差，從而確定目標的方位和距離。由於雷射雷達主動發射雷射，因此受環境光變化的影響小，測距精確。

什麼是雷射雷達LIDAR的技術關鍵

典型雷射雷達LiDAR系統組成

典型雷射雷達LiDAR系統組成括雷射發射光源、接收器、伺服電機、斜面鏡和光學旋轉編碼器（又稱圓光柵）。

雷射雷達LiDAR關鍵部件

雷射雷達LiDAR關鍵部件按照信號處理的信號鏈包括控制硬體DSP（數位訊號處理器）、雷射驅動、雷射發射發光二極體、發射光學鏡頭、接收光學鏡頭、APD（雪崩光學二極體）、TIA（可變跨導放大器）和探測器。其中除了發射和接收光學鏡頭外，都是電子部件。隨著半導體技術的快速演進，性能逐步提升的同時成本迅速降低。但是光學組件和旋轉機械則佔具了雷射雷達的大部分成本。

雷射雷達LIDAR的應用挑戰

a. 繞不開的基礎專利

Velodyne雷射雷達LiDAR基礎專利

第一大挑戰就是繞不開的Velodyne基礎專利。此次專利大戰的主角Velodyne可以說是美國政府通過自動駕駛挑戰賽一手扶植起來的業界老大。2007年Velodyne申請的基礎專利US7969558囊括了幾乎所有高精度雷射雷達所需的基礎技術。其實並不是針對國內的禾賽和速騰聚創，國外的谷歌Waymo和Uber都被拉進了專利之爭。而禾賽目前已經在北美是僅次於Velodyne的雷射雷達供應商。而速騰聚創則是國內出貨量最高的雷射雷達企業。可謂樹大招風。

Velodyne雷射雷達LiDAR基礎專利細節

該基礎專利不僅包括了主流的基於伺服電機機械旋轉光學組件，而且包括了之前提到的特殊信號處理原理。通過精確的雷射發射時長控制，來將對回波時間的測量轉化成單位時間進光量的測量。從而在提高精度的同時降低設計難度。

b. 居高不下的成本

最早由谷歌提出的自動駕駛汽車基於置於車頂的360度機械旋轉雷射雷達實現。它的性能非常好，但是相應的也具有成本過高（幾千美元級別），體積大、外部可見等劣勢。

因此雷射雷達成本問題亟待解決，固態化成為大勢所趨。

雷射雷達LIDAR市場應用如何

1. Velodyne雷射雷達汽車應用

Velodyne雷射雷達發展路線

Velodyne雷射雷達廣泛應用於自動駕駛的測試車型中。最早谷歌提出的自動駕駛汽車就是基於置於車頂的機械旋轉雷射雷達產品實現的。它其實就是來自Velodyne公司的64波束雷射雷達。而這款產品當初價格驚人的超過了7萬美金。如圖，從左至右分別為Velodyne的64波束、32波束以及16波束雷射雷達產品。

2. 法雷奧SCALA雷射掃描傳感器汽車應用

奧迪A8配備的低成本雷射掃描傳感器

奧迪是目前唯一量產L3級別自動駕駛車型的整車廠。為了應對雷射雷達量產的挑戰，奧迪找到了一種更小巧的雷射掃描傳感器方案。全新奧迪A8保險槓處的一個圓弧狀傳感器是小型化雷射掃描傳感器。在外形不需旋轉的前提下可以達到145度的水平視角，80米遠的探測距離。其雷射二極體每秒可發射近10萬次紅外線脈衝，控制系統會根據紅外線脈衝的反射情況計算出前方物體的詳細輪廓。

雷射雷達LIDAR未來發展方向

雷射雷達LiDAR未來發展方向

未來通過半導體技術代替原來的機械旋轉部件和光學組件將是業界主流。在繞開基礎專利的同時可以大幅降低雷射雷達的成本。其中高性能長距離雷射雷達將專注於基於半導體的微機械鏡頭控制雷射發射光束的掃描。而中距離低成本方案則朝向固態Flash雷射雷達的方向發展。接收部分為半導體光學探測陣列。通過類似攝像頭的接收點整，在採集圖像的同時記錄目標的距離信息。

綜上所述，雷射雷達技術正隨著自動駕駛的興起引起廣泛關注。但是繞不開的基礎專利和居高不下的成本帶來諸多挑戰仍急需解決。無疑半導體技術將推動雷射雷達快速發展。讓我們拭目以待吧。

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