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主流激光雷达分类及原理

作者:互联网

主流激光雷达分类及原理


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  1. 主流激光雷达分类及原理

激光雷达分类多种多样,比如按发射波形可分为脉冲形连续形;按探测方式可分为直接探测相干探测;按线束可分为单线多线等。

本文将按扫描方式将雷达进行分类介绍。

1. 机械式激光雷达

机械旋转式激光雷达发射和接收模块存在宏观意义上的转动。在竖直方向上排布多组激光线束,发射模块以一定频率发射激光线,通过不断旋转发射头实现动态扫描。

机械旋转 Lidar 分离的收发组件导致生产过程要人工光路对准,费时费力,可量产性差。目前有的机械旋转 Lidar 厂商在走芯片化的路线,将多线激光发射模组集成到一片芯片,提高生产效率和量产性,降低成本,减少旋转部件的大小和体积,使其更易过车规。图为 Velodyne 机械旋转式激光雷达。

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优点:

缺点:

2. 混合固态激光雷达

混合固态激光雷达用“微动器件来代替宏观机械式扫描器,在微观尺度上实现雷达发射端的激光扫描。旋转幅度和体积的减小,可有效提高系统可靠性,降低成本。

2.1 MEMS 振镜激光雷达

MEMS振镜是一种硅基半导体元器件,属于固态电子元件;它是在硅基芯片上集成了体积十分精巧的微振镜,其核心结构是尺寸很小的悬臂梁——反射镜炫富在前后左右各一对扭杆之间以一定谐波频率振荡,由旋转的微振镜来反射激光器的光线,从而实现扫描。硅基MEMS微振镜可控性好,可实现快速扫描,其等效线束能高达一至两百线,因此,要同样的点云密度时,硅基MEMS Lidar的激光发射器数量比机械式旋转Lidar少很多,体积小很多,系统可靠性高很多。

优点:

缺点:

主要存在的问题:

  1. 振镜尺寸问题:远距离探测需要较大的振镜,不但价格贵,对快轴、慢轴负担大,材质的耐久疲劳度存在风险,难以满足车规的DV、PV的可靠性、稳定性、冲击、跌落测试要求。
  2. 悬臂梁:硅基MEMS的悬臂梁结构其实非常脆弱,快慢轴同时对微振镜进行反向扭动,外界的振动或冲击极易直接致其断裂。

2.2 旋转扫描镜激光雷达

作为首款量产的L3级别自动驾驶的乘用车——奥迪A8上搭载的激光雷达就是旋转扫描镜激光雷达。与机械旋转激光雷达不同的是,其激光发射模块和接收模块是不动的,只有扫描镜在做机械旋转。激光单元发出激光至旋转扫描镜(Mirror),被偏转向前发射(扫描角度145°),被物体反射的光经光学系统被左下方的探测器接收。

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优点:

缺点:

2.3 楔形棱镜旋转

收发模块的PLD(Pulsed Laser Diode)发射出激光,通过反射镜和凸透镜变成平行光,扫描模块的两个旋转的棱镜改变光路,使激光从某个角度发射出去。激光打到物体上,反射后从原光路回来,被APD接收。下图为 Livox Lidar 的工作原理示意图:
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与MEMS Lidar相比,它可以做到很大的通光孔径,距离也会测得较远。与机械旋转Lidar相比,它极大地减少了激光发射和接收的线数,降低了对焦与标定的复杂度,大幅提升生产效率,降低成本。

优点:

缺点:

下图为 Livox 的点云分布图:
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2.4 二维扫描振镜激光雷达

这类激光雷达的核心元件是两个扫描器——多边形棱镜和垂直扫描振镜,分别负责水平和垂直方向上的扫描。特点是扫描速度快,精度高。比如:一个四面多边形,仅移动八条激光器光束(相当于传统的8线激光雷达),以5000rpm速度扫描,垂直分辨率为2667条/秒,120度水平扫描,在10Hz非隔行扫描下,垂直分辨率达267线。下图为 Luminar 激光雷达内部解剖图:
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优点:

缺点:

3. 纯固态激光雷达

3.1 Flash 激光雷达

Flash 激光雷达采用类似 Camera 的工作模式,但感光元件与普通相机不同,每个像素点可记录光子飞行时间。由于物体具有三维空间属性,照射到物体不同部位的光具有不同的飞行时间,被焦平面探测器阵列探测,输出为具有深度信息的“三维”图像。根据激光光源的不同,Flash 激光雷达可以分为脉冲式和连续式,脉冲式可实现远距离探测(100米以上),连续式主要用于近距离探测(数十米)。

Flash 激光雷达的优势在于能够快速记录整个场景,避免了扫描过程中目标或 Lidar 自身运动带来的误差。其缺点是探测距离近。下图为 Flash Lidar 的工作示意图:
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发射模组:Flash 激光雷达采用的是垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL),比其他激光器更小、更轻、更耐用、更快、更易于制造,并且功率效率更高。

接收模组:Flash 激光雷达的性能主要取决于焦平面探测器阵列的灵敏度。焦平面探测器阵列可使用 PIN 型光电探测器,在探测器前端加上透镜单元并采用高性能读出电路,可实现短距离探测。对于远距离探测需求,需要使用到雪崩型光电探测器,其探测的灵敏度高,可实现单光子探测,基于 APD 的面阵探测器具有远距离单幅成像、易于小型化等优点。

优点:

缺点:

3.2 光学相控阵激光雷达(OPA)

很多军用 Lidar 使用 OPA(Optical Phased Array)光学相控阵技术。OPA 运用相干原理,采用多个光源组成阵列,通过调节发射阵列中每个发射单元的相位差,来控制输出的激光束的方向。OPA 激光雷达完全是由电信号控制扫描方向,能够动态地调节扫描角度范围,对目标区域进行全局扫描或者某一区域的局部精细化扫描,一个激光雷达就可能覆盖近/中/远距离的目标探测。下图为 Quanergy 固态激光雷达:
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优点:

缺点:

3.3 调频连续波FMCW激光雷达

以三角波调频连续波为例来介绍其测距/测速原理。蓝色为发射信号频率,红色为接收信号频率,发射的激光束被反复调制,信号频率不断变化。激光束击中障碍物被反射,反射会影响光的频率,当反射光返回到检测器,与发射时的频率相比,就能测量两种频率之间的差值,与距离成比例,从而计算出物体的位置信息。FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 的反射光频率会根据前方移动物体的速度而改变,结合多普勒效应,即可计算出目标的速度。下图为 FMCW 原理:

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优点:

缺点:

FMCW 与常见的 TOF 测距原理的对比:

TOFFMCW
优点优点
系统简单,成本低环境光抗干扰能力强
平均功率低1550nm波长对人眼安全更有利
测距精度高除距离和intensity信息外还能得到速度信息
能探测出切向运动的目标缺点
缺点系统复杂度高,成本高
环境光的抗干扰性比FMCW稍差平均能耗高
波段接近人眼可响应的范围不能探测出切向运动的目标(比如横穿马路的人/车)

4. 发展趋势

激光雷达是实现无人驾驶的重要传感器部件之一。评价一款激光雷达产品,要从性能、技术成熟度、成本、“车规”化等多个维度去衡量。

机械式激光雷达:目前是自动驾驶公司的主流方案,技术成熟可靠,具备360度视场角,高分辨率等性能优势,但限于工艺等因素难以量产。部分机械雷达厂商正在通过芯片化的路线提高生产效率,降低成本,并使其符合车规。考虑到固态雷达的迭代过程,短期内机械式激光雷达仍将是自动驾驶的主流选择。

MEMS等半固态激光雷达:目前技术相对成熟,能兼顾成本、性能、车规等要求,但抗冲击可靠性存疑。长远来看,仅属于过渡产品。

全固态激光雷达:长远看,激光雷达的主流趋势会转向全固态。Flash技术领先,但受限于元器件性能,无法实现远距离探测;OPA具有一定的技术壁垒;FMCW具有探测距离远,灵敏度高,抗干扰能力高,成本低,功耗低等特点,但技术门槛高,对系统集成,信号处理要求很高,目前尚未量产。

总的看来,激光雷达固态化会持续推进,技术仍然有很长的探索期。

标签:分类,扫描,Lidar,主流,振镜,MEMS,探测,激光雷达
来源: https://blog.csdn.net/qq_28087491/article/details/120396204