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一文详解激光雷达

激光雷达(LiDAR)是目今正在改变世界的传感器,它广泛应用于自动驾驶汽车、无人机、自主机械人、卫星、火箭等。激光通过测定传感器发射器与目标物体之间的流传距离(Time of Flight,TOF)(如图1所示),剖析目标物体外貌的反射能量巨细、反射波谱的幅度、频率和相位等信息,输出点云,从而泛起出目标物精确的三维结构信息。


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图1 激光雷达测距及点云


激光雷达是由激光发射单位和激光接收单位组成,发射单位的事情方法是向外发射激光束层,层数越多,精度也越高(如图2所示),不过这也意味着传感器尺寸越大。发射单位将激光发射出去后,当激光遇到障碍物会反射,从而被接收器接收,接收器凭据每束激光发射和返回的时间,创立一组点云,高质量的激光雷达,每秒z多可以发出200多束激光。


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图2 差别激光束形成的激光点云


关于激光的波长,目前主要使用使用波长为905nm和1550nm的激光发射器,波长为1550nm的光线禁止易在人眼液体中传输。故1550nm可在可靠的前提下大大提高发射功率。大功率能获得更远的探测距离,长波长也能提高抗滋扰能力。可是1550nm激光需使用InGaAs,目前量产困难。故目今更多使用Si材质量产905nm的LiDAR。通过限制功率和脉冲时间来包管可靠。


激光雷达的结构

激光雷达的要害部件凭据信号处理的信号链包括控制硬件DSP(数字信号处理器)、激光驱动、激光发射发光二极管、发射光学镜头、接收光学镜头、APD(雪崩光学二极管)、TIA(可变跨导放大器)和探测器,如图3所示。其中除了发射和接收光学镜头外,都是电子部件。随着半导体技术的快速演进,性能逐步提升的同时本钱迅速降低。可是光学组件和旋转机械则占具了激光雷达的大部分本钱。


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图3 激光雷达的要害部件


激光雷达的种类

目前市面上有差别种类的激光雷达,按驱动方法可分为机械式、MEMS、相控阵、泛光面阵式(FLASH)。


机械式

以Velodyne 2007年推出的64线雷达为例。它把64个激光器笔直堆叠在一起,以20rpm速度旋转。简单理解就是通过旋转将激光点酿成线,通过64线堆叠将线转化为面,获得点云数据获取3D情况信息。


机械式结构需要庞大的机械结构,同时点云的丈量又需要对装置进行精确定位?悸乔榭龊屠匣挠跋,平均的失效时间1000-3000小时, 无法抵达车厂z低13000小时的要求。且由于LiDAR装置在车顶,民用领域需考虑外界养护的问题,如洗车的影响。因此机械式结构 的限制了本钱和应用推广。


MEMS

MEMS激光雷达利用微电子机械系统的技术驱动旋镜,反射激光束指向差别偏向。


固态激光雷达的优点包括了:数据收罗速度快,区分率高,关于温度和振动的适应性强;通过波束控制,探测点(点云)可以任意漫衍,例如在高速公路主要扫描前方远处,关于侧面稀疏扫描但并不 忽略,在十字路口增强侧面扫描。而只能匀速旋转的机械式激光雷达是无法执行这种精细操作的。


典范应用有法雷奥SCALA激光雷达。目前应用在奥迪A8(D 1款L3级的自动驾驶车辆)。装置在前包管杠位置,使用MEMS技术获得145°的扫描角度,80m的探测距离。


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图4 奥迪A8的激光雷达


相控阵(OPA)

光相控阵雷达原理:主要利用光的干预原理?梢酝ü谋洳畋鸱熘腥肷涔庀叩南辔徊罴纯筛谋涔庹ぱ苌浜笾醒朊魑疲ㄖ靼辏┑奈恢,如下图所示。


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图5 相控阵雷达的原理




相控阵(OPA)的优缺点


优点:


①结构简单、尺寸。河捎诓恍枰考,可以大大压缩雷达的结构和尺寸,提高使用寿命,并降低本钱。


②标定简单:机械式激光雷达由于光学结构牢固,适配差别车辆往往需要精密调理其位置和角度,固态激光雷达可以通过软件进行调理,大大降低了标定的难度。


③扫描速度快:不必受制于机械旋转的速度和精度,光学相控阵的扫描速度取决于所用质料的电子学特性,一般都可以抵达MHz量级。


④扫描精度高:光学相控阵的扫描精度取决于控制电信号的精度,可以抵达千分之一怀抱级以上。


⑤可控性好:光学相控阵的光束指向 由电信号控制,在允许的角度规模内可以做到任意指向,可以在重点区域进行高密度的扫描。


⑥多目标监控:一个相控阵面可以支解为多个小?,每个?槔肟刂萍纯赏彼嗫囟喔瞿勘。


缺点:


①扫描角度有限:调理相位z多只能让中央明纹改变约±60°,实际做到360°收罗的话一般需要6个。


②旁瓣问题:光栅衍射除了中央明纹外还会形成其他明纹,这一问题会让激光在z大功率偏向以外形成旁瓣,疏散激光的能量。


③加工难度高:光学相控阵要求阵列单位尺寸须不大于半个波长,一般目前激光雷达的事情波长均在1微米左右,故阵列单位的尺寸须不大于500nm。并且阵列密度越高,能量也越集中,这都提高了对加工精度的要求,需要 的技术突破。


④接收面大、信噪比差:古板机械雷达只需要很小的接收窗口,但固态激光雷达却需要一整个接收面,因此会引入较多的情况光噪声,增加了扫描解析的难度。


泛光面阵式(FLASH)

泛光面阵式的原理类似TOF相机,也就是快闪,它不像MEMS或OPA的计划会去进行扫描,而是短时间直接发射出一大片笼罩探测区域的激光,再以高度灵敏的接收器,来完成对情况周围图像的绘制。它运行起来更像摄像头。激光束会直接向各个偏向漫射,因此只要一次快闪就能照亮整个场景。随后,系统会利用微型传感器阵列收罗差别偏向反射回来的激光束。


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图6 泛光式激光雷达


Flash LiDAR 的一大优势是它能快速纪录整个场景,制止了扫描历程中目标或激光雷达移动带来的种种麻烦。目今的生长偏向有2个,一种是盖格模式APD的单光子计数型直接对光子计数生成数字图像;一种是古板的CMOS光强模拟收罗获得强度图,将强度图转化为距离信息。


激光雷达的数据传输

LiDAR由于数据量较大,目今的控制架构中,基本接纳将每个光点的原始数据发回到中央控制器处理,所以通;峤幽蒄lexRay或以太网此类高带宽的网络进行通讯。如法雷奥的SCALA在1代接纳Flexray,2代则开始使用以太网。


LiDAR 通常从硬件层面支持授时,通;崽峁┲С秩质奔渫浇涌。


1) IEEE 15882008同步,遵循精确时间协议,通过以太网对丈量以及系统控制实现精确的时钟同步。


2) 脉冲同步(PPS),脉冲同步通过同步信号线实现数据同步。


3) GPS同步(PPS+UTC),通过同步信号线和UTC时间(GPS时间)实现数据同步。


以目前z普遍的旋转式激光雷达的数据为例,其数据为10hz,即LiDAR在0.1s时间内转一圈,并将硬件获得的数据凭据差别角度切成差别的packet,而每一个packet包括了目今扇区全点的数据,包括每个点的时间戳,每个点的xyz数据,每个点的发射强度,每个点来自的激光发射机的id等信息。而如z新的Livox Horizon激光雷达,也包括了多回波信息及噪点信息。


文章来源:新机械视觉


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