汽车激光雷达的方向是选择095纳米还是1550纳米

在汽车工业中,光探测和测距(LIDAR)被用于先进的驾驶辅助系统和自主车辆。虽然并非每一个智能车都使用激光雷达,但它的应用正在迅速增加,因为它所产生的感官信息填补了相机之间的一个关键缺口。

激光雷达系统在红外光谱中运行。红外线对人类的眼睛是看不到的,它通常探测到380-700纳米之间的波长。红外辐射范围从750纳米到1,000毫米不等。一般的分类是近红外是750纳米至1400纳米;短波长红外是1400纳米至3000纳米;中波长红外是3000纳米至8000纳米;长波长红外是8000纳米至15000纳米。

这些类别属于"热红外"范围,即红外技术通常用于温度测量等。远红外线横跨15米到100米,穿过太赫兹频率,用于各种治疗药物。

红外光谱细分。

LIDAR系统基本原理

大多数激光雷达系统的本质是发射红外脉冲,然后检测和分析它们在物体表面的反射。脉冲是由激光二极管产生的,传感器是光二极管(PDS)。利用机械或固态光栅扫描,激光雷达通过收集和处理笛卡尔坐标系集并将其显示为点云,创建目标环境的三维地图。

闪存激光雷达是光栅扫描的一种替代方法。这个系统架构的工作方式类似于传统的闪光摄影,从一个红外脉冲中捕捉整个场景或环境,而不是用旋转激光器或镜子一次采集一点数据。闪存激光雷达的实时图像采集具有速度快、机械结构简单等优点,提高了系统的可靠性,降低了系统成本。

闪存激光雷达可以通过射射器通过准直的红外脉冲来照亮目标区域,从而避免了扫描的需要。反射光由接收透镜采集,接收透镜将其聚焦到传感器阵列的每个像素接收信号的一个离散部分。

在扫描和闪存激光雷达中,飞行时间测量被用来计算激光雷达脉冲的传输和检测之间的时间。由于光速是已知的数量,因此可以确定到引起反射的物体的距离。

频率调制连续波技术--也被用于雷达--提供了一个替代的T自由度测量。fmcw不使用红外脉冲。取而代之的是,连续波红外激光束的频率(波长)是线性调制的,随时间而产生"叫声"。"然后可以利用传输信号和接收信号之间的相位和频率差来计算产生反射的表面距离及其速度--但只能以发射机相同的运动方向。

系统不需要计算不同点云坐标反射之间的差异。与T自由度相比,ffcw激光雷达需要更长的集成时间,长的相干长度的激光,高效率的耦合,以及更大的计算能力来生成3d点云。但是,随着加工能力成本的持续下降,这可能并不是采用该方法的一个限制因素。

利达汽车应用

在汽车工业中,激光雷达通常是超声波传感器、视觉相机和雷达探测系统的补充。每一项技术都有其局限性,但传感器融合技术被用来处理和分析从各种传感器收到的数据,以建立一个车辆驾驶环境的准确图像。至关重要的是,处理过程需要低延迟和高精度的结果,以确保更安全的机动性--特别是在车辆高速行驶时。

虽然并非每一个智能车辆都使用激光雷达,但其应用在汽车工业中正在迅速增长,因为它所产生的感官信息填补了相机与雷达之间的关键缺口,后者具有极好的空间(像素)分辨率,但深度信息较差,而雷达具有极好的深度分辨率,但空间信息较差。换句话说,雷达善于探测物体,但不善于识别它们是什么。这一点很重要,因为司机为了避免撞到小孩而准备采取的行动可能与撞到围栏柱的行动明显不同。

评估各种传感和测量系统的性能在汽车应用中尤其具有挑战性。原因很简单,如果出了问题,生命就会受到威胁。系统在"正常"驾驶条件下可靠运行是不够的。它们必须在温度、湿度、大气污染和交通密度等极端情况下表现得同样好。

从一个小孩到一群鸟,任何东西都可能是驾驶的危险,如果要维护安全,所有这些东西的数据都必须被识别、分类,并由ADS和av系统采取行动。虽然最重要的考虑永远是对人的生命的风险,但汽车品牌获得不安全声誉的财务风险也可能是灾难性的。

激光雷达红外传感器发展的快照

对于汽车激光雷达来说,两种波长是可行的选择:在国家红外线范围内为705纳米,在SWIR类别下为1550纳米。产生红外脉冲或信号的激光器以及探测散射反射光的传感器的价格和成熟度是导致这种选择的主要因素。传感器技术的发展在使激光雷达成为汽车制造商的可行技术方面特别有影响。

传感器通常是基于雪崩光电二极管(APDS)。二极管产生的电流与入射光(光子数)降落在它们的表面成正比,它们具有内部放大机制,使产生的电流增加倍。然而,同样的机制会产生电子噪声,可能限制内部放大的有用水平。放大是通过调整应用于APDS的反向偏差来控制的。

LIDAR传感器通常是用硅或砷化镓半导体制造的。图中显示了APDS对红外波长的相对响应。

硅APDS成本较低,在NIR上有响应,但在SWIR波长上无响应。

同时也是一种选择,但是氦二极管的响应率比Ingaas低,成本比硅基元件高。

在许多设计中,硅光电倍数钳(SIPMS)已经取代了传统的硅APDS。SIPMS不是一个大面积的载气管,而是由一系列的微细胞组成,每一个微细胞都充当单一的光子雪崩二极管。微细胞以平行方式连接,并以吉格尔模式工作,在那里单个光子触发雪崩效应。

微细胞平行连接,并在每次检测事件后重置,以避免连续雪崩破坏。SIPMS比硅APDS的主要优点之一是它们提供了更高的灵敏度,一直到单个光子。权衡是限制动态范围,传感器线性度较低,以及由邻近微电池之间的串扰引起的检测事件错误信号。由于光子检测在多个细胞中同时发生,在明亮或阳光下,这尤其具有挑战性。

在1550纳米的范围内,英加斯APDS是主要的检测设备。在硅或英加系统上,常采用平衡销型光电二极管。

激光雷达系统的性能取决于几个因素,其中最重要的是:

· 激光发射机的功率。

· 探测器的灵敏度。

· 光学、机械和电子电路的设计和性能.该电路包括模拟放大器、数字到模拟转换器以及数字滤波和处理功能。

· 传输介质对信号色散和衰减的影响。

· 需要检测的物体的反射率。这取决于它们的尺寸和材料特点。在估计激光雷达系统的光子预算时,最大的挑战之一是了解可能遇到的现实目标。

系统运行情况(NIR)。

传输功率大大限制了975NM激光雷达系统的范围。参照光谱图,它显示出705纳米接近可见光的波长。

这就产生了两个问题。首先,005毫米的光线可以穿透人的眼睛,损害视网膜。这意味着激光雷达发射机必须在严格界定的"眼扫描"范围内运行。其次,低功率的NIR激光脉冲或信号容易受到可见光源的干扰,如阳光或迎面而来的车辆前照灯的光--这两者都可能被视为造成系统内的噪音,限制了其灵敏度和精度。因此,950纳米的激光雷达系统或者局限于短距离,或者通常使用大量的激光和探测器通道--多达10000个分离的激光和探测器--以达到250米的范围,并具有汽车工业所需的角分辨率。

系统性能为1550纳米(SWIR)

在1550纳米时,由于波长差异大,背景太阳辐射的干扰小,其他光源的干扰就更不成问题。

眼罩问题也得到了缓解,功率水平可能会比975-NM系统高几百倍。任何达到眼睛的1550海里的光线,在到达视网膜的水平之前,都会被前层吸收,从而造成损害。

此外,在1550纳米时,光在大多数材料中的散射和吸收都要比705纳米时少。这使它能够在没有明显退化的情况下更远的距离旅行,而且其更大的一致性也会有利于调频条约组织激光雷达的性能。

1550纳米传感器的进展

最近在1550NM英加斯红外传感器的性能上的一个进步是当弗卢克斯技术宣布它的无噪音英加斯APDS。通过改进复合半导体制造工艺,并在二极管织物上添加硒合金,产生了具有12×相似器件灵敏度的PDS。这一改进是通过减少设备内部产生的固有噪音而实现的,这种噪音使内部雪崩增益从典型的10到20增加到不造成不可接受的信号噪声退化的120。

根据系统设计的不同,可以计算出,改变这一可用于代替传统的IngaasAPDS的组件,可以使一个给定激光功率的1550NM激光雷达系统的范围增加高达50%。

其他设计上的权衡是可能的。例如,分辨率可以增加12×而不增加激光功率.或者,可以使用低功率激光器,简化了机械和光学要求,从而降低了成本和尺寸。

这对未来的汽车激光雷达意味着什么?

随着汽车制造商试图在Adas系统中设计安全性、性能和成本的最佳平衡,许多问题仍然没有答案。

对于在长途中探测危险是否足够,也许是使用雷达,存在一些争论,只有当车辆接近危险时,才使用激光雷达对危险进行分类。这一方法的有效性尚待充分评估。

系统需求取决于自主目标的水平和驱动环境。对于在城市街道上的低速辅助或自主驾驶,挑战不同于在长途公路上的挑战。

由于其成本相对较低,901-NM激光雷达看来可能继续用于短程探测和成像,但如果要实现红外技术的全部益处,对1550-NM系统的情况似乎是无可辩驳的。无噪音的IngaasAPDS的引入表明了组件性能的质量改进如何能够对激光雷达技术在汽车工业中的可能进步产生巨大的影响。