之前我们讲到激光雷达根据接收原理一般分为iTOF/ dTOF(SPAD/ APD),根据扫描方式又可以分为机械旋转式激光雷达/ 半固态(有的也叫混合固态)激光雷达/ 固态激光雷达/ Flash/OPA 等等,这个以后会讲到(又给自己挖坑了hhh)。但他们的最小组成单元比较类似:发射端:光源+发射透镜,接收端:sensor+接收透镜。本文基于目前较多的机械旋转式/混合固态式,讲讲其中的光学原理
光源
激光雷达的光源当然是激光,常用的一般两个波段
905nm波段通常是用EEL(Edge-Emitting Laser)边发射激光器,VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)垂直腔面发射激光器。
1550nm波段,通常需要用到光纤激光器。
波长的选择
为什么会用到这两个波段呢,主要是根据两方面的约束
自然光的光谱
905nm也好,1550nm也好,在自然光光谱中占比重较小,即在相同的自然光强下,这个波段的强度较低,使得经过滤光片过滤后,噪声较小。这个自然光光谱的具体数值可以通过ASTM G173查到,我之后会看一下这里能否上传文件,可以的话我会上传上去,大家可以在我的主页找找。
人眼安全
参考IEC60825-1 消费级的激光雷达都会要求人眼安全级别达到class 1,人眼安全除了跟激光的能量强度、FOV、脉冲时间、脉冲峰值功率、平均光功率有关外,还和波长相关。
1550nm的激光会被晶状体和角膜吸收,所以在class 1的标准下,使用1550nm的光源可以使用更高的功率。当然1550nm的光源也有其他的优劣,成本,特定场景下回波能量低之类的,先不在这里展开了。同样的,IEC60825-1也有相关文件,我会看看是否可以上传。
光束质量
因为光源是激光,是存在快慢轴(快轴是垂直于激光芯片正表面的,慢轴是平行于芯片表面的,一般快轴的发散角大,慢轴反之)和束腰的,所以激光光束质量的好坏是光源选择的关键。判断激光光源光束质量的常用表达方式是BPP(Beam-Parameter Product)光参数积(当然还有M^2,这里就讲BPP吧),BPP的定义:
其中ω 是束腰半径,θ 是远场发散半角。BPP是一个恒定值,在不损失能量的情况下,利用光学系统对激光的任意一项进行调整,另一项都会发生相应的改变。可以看出,BPP越小,光束能量越集中,光束质量就越好。
而因为部分激光雷达(如车载)有远距离测距的要求,为了保证足够的分辨率,需要激光的弥散斑在远距离也保持的很小,所以需要将激光的出射角准直到很小(这里会在下文出射透镜环节进一步讲),而又为了回波能量能够被探测到,所以需要其能量足够集中吗。所以选择一个BPP很小的激光器是关键的。
EEL vs VCSEL vs 光纤激光器
这里用个表格来表示吧:
中心波长偏移
通常温度的变化会给激光器的中心波长带来变化,不同批次的激光器中心波长也会有一定程度的便宜,这使得对滤光片的带宽要求变宽,从而会让更多的环境光作为噪声进入sensor,减小信噪比。
发射透镜
发射透镜主要是为了准直,因为光源是激光,快慢轴需要用柱面镜分开单独准直(当然对于快慢轴发散角一致的光源来说可以用一个凸面镜来准直),准直后的发散角一般用m r a d mradmrad(毫弧度)为单位来表示。相同能量下,发散角越小,激光雷达能测到的距离就更远,测距分辨率越高。
接收透镜
接收透镜与Sensor的类型有关,如果Sensor只有单个pixel,那么接收透镜是非成像的,只用FOV与发射透镜匹配即可。
如果是面阵的Sensor,那就和camera透镜的方式一致,物像关系需要对应。
Sensor
Sensor的种类之前讲过了(不过也还有FMCW OPA没讲),当然不同波长的光源,选用的Sensor也有所不同。
光路分类
主要分两种方式:旁轴&同轴
这里我画了两张图(是不是很用心,没在网上找了)
旁轴系统
发射端和接收端是不同的光路,发射端和接收端之间的物理距离被称为Baseline,Baseline的大小,光源和发射透镜组成的发射端的发散角,Sensor和接收透镜组成的接收端的视场角,共同决定了旁轴光路系统的有效测距范围(可以用简单的三角关系来计算)。可以看出,旁轴系统在近距离是存在盲区的(即近距离是无法测距的,而其实因为发散角的边缘并不是完全无光(定义为1 / e^2的位置),所以因为SPAD的高感光能力,SPAD应用中近距离的盲区会远小于理论盲区)。所以,考虑到分辨率和盲区大小,旁轴系统会希望Baseline尽可能的小,发射端的发散小要尽可能的小,而接收端的视场角需要略大于发射端,但不能大太多(因为大太多会引入更多的环境噪声)。对于同样一个目标靶来说,旁轴系统接收到的能量随着距离的远近的线性度会较差,且会因为极线约束在sensor靶面上的投影也会随距离偏移(而大多数sensor不同位置对于能量的响应也是有所不同的)。
同轴系统
发射端和接收端是相同光路的系统,利用分光镜来对发射/接收光线进行半透半反,因为是相同的光路,发射和接收的角度可以做到相同,且不存在盲区,同轴的系统不存在极线约束,其能量随距离的线性度也会更好。然而因为分光镜的存在,同轴系统对于光源能量的要求更高(在图中也很好看出,出射能量会被削弱50%,接收能量又会被削弱50%)。且同轴系统的装配难度及体积也会比旁轴系统要大。
PS. 这里引入了一个reference sensor的概念,因为温漂会影响发射系统的出光延时,所以只记录电路上的start 出光信号时间会受到温度的影响使得测距的信息不准确,而光的start 信号出光延时是同步的,所以利用reference sensor可以更好的跟随温漂后的实际出光时间,获得更准确的start时间,从而抑制温漂对TOF测距产生的影响。
光学链路分析
分析方式各种paper没有太过统一,但大致需要考量的因素差不太多。我会分为两块来讲讲我的理解
背景噪声建模
《Modeling and Analysis of a Direct Time-of-Flight Sensor Architecture for LiDAR Applications》这篇文章提到可以用普朗克黑体辐射定律和泊松分布来建模
信号/回波衰减建模
其他
当然,这里是简单的模拟,像目标物反射可以用朗伯散射的模型,IR的透过率引入IR的带通数值以及太阳光的光谱数据(根据刚才提到的ASTM G173),发射与接收之间的baseline以及弧面光功率到平面目标物的散射截面积,如SPAD的雪崩触发的泊松/负二项分布,电路的散弹噪声/暗电流/热电流都可以被考虑到。
审核编辑 :李倩
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激光雷达的工作原理与雷达非常相近,以激光作为信号源,由激光器发射出的脉冲激光,打到地面的树木、道路、桥梁和建筑物上,引起散射,一部分光波会反射到激光雷达的接收器上
发表于 04-21 14:24
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激光雷达是什么? 激光雷达(英文:Lidar),激光雷达是集激光、全球定位系统(GPS)、和IMU(惯性测量装置)三种技术于一身的系统,相比普通雷达,激光雷达具有分辨率高,隐蔽性好、抗干扰能力更强等
发表于 06-20 16:53
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采用的激光雷达主要是混合固态的形式,包括采用MEMS微振镜技术速腾聚创 M1、采用转镜式扫描的华为96线激光雷达、以及图达通猎鹰采用的一个光源+两个光学器件组成的二维扫描形式。 而为了减少活动部件,提高可靠性,纯固态是激光雷达的明确发展方向。
发表于 08-03 08:28
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但未来通往纯固态激光雷达的道路上,有业内人士认为OPA(光学相控阵)扫描+FMCW测距的激光雷达会是最终的最佳方案。
发表于 08-08 09:13
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激光雷达也称为光学雷达,英文缩写有几种不同的形式: -Laser Radar -LADAR -LIDAR(Light Detection and Ranging) 原理与雷达相同,只是发射波的形式
发表于 08-22 17:09
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激光雷达的本质是一种以激光为辐射源的主动探测器,通过测距和测角来实现探测目的。激光雷达LiDAR(Light Detection and Ranging)是激光探测及测距系统的简称,另外也称 LADAR(Laser Detection and Ranging)。
发表于 10-27 11:53
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。这种光学装置通常由透镜和衍射光学元件组成。通过在VirtualLab Fusion中的可编程参数运行,构建了一个具有多个光源阵列的面阵激光雷达系统,并从空间和空间频域两个方面分析了该系统的工作原理。
发表于 11-17 11:05
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激光雷达的硬件模块有哪些?
车载激光雷达的发展阶段有哪些?
目前,车载激光雷达的物体探测方式有哪些?
发表于 02-06 09:25
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通常激光雷达可以分为两大类:机械式激光雷达和固态激光雷达。机械式激光雷达采用机械旋转部件作为光束扫描的实现方式,可以实现大角度扫描,但是装配困难、扫描频率低。
发表于 02-21 11:18
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随着激光雷达的上车数量的不断攀升,如何用好激光雷达成为了重中之重,而用好激光雷达的关键点之一就在于处理好点云数据。
发表于 03-14 09:36
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电子发烧友网报道(文/周凯扬)即便是在车载激光雷达宣传得如此火热的当下,全球激光雷达市场的出货量中,贡献一半以上的还是工业与测绘用激光雷达。从去年Yole发布的激光雷达产业报告来看,虽然禾赛在车
发表于 04-14 04:06
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