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激光雷达的组成部分有哪些,它的分类又是如何

2020-04-07 17:46 次阅读

(文章来源:好嘿科技)

激光雷达由发射系统、接收系统 、信息处理三部分组成。激光雷达的工作原理是利用可见和近红外光波(多为950nm波段附近的红外光)发射、反射和接收来探测物体。根据结构,激光雷达分为机械式激光雷达、固态激光雷达和混合固态激光雷达。

机械激光雷达,是指其发射系统和接收系统存在宏观意义上的转动,也就是通过不断旋转发射头,将速度更快、发射更准的激光从“线”变成“面”,并在竖直方向上排布多束激光,形成多个面,达到动态扫描并动态接收信息的目的。因为带有机械旋转机构,所以机械激光雷达外表上最大的特点就是自己会转,个头较大。

如今机械激光雷达技术相对成熟,但价格昂贵,暂时给主机厂量产的可能性较低;同时存在光路调试、装配复杂,生产周期漫长,机械旋转部件在行车环境下的可靠性不高,难以符合车规的严苛要求等不足。机械式激光雷达在工作时发射系统和接收系统会一直360度地旋转,而混合固态激光雷达工作时,单从外观上是看不到旋转的,巧妙之处是将机械旋转部件做得更加小巧并深深地隐藏在外壳之中。

业内普遍认为,混合固态激光雷达指用半导体“微动”器件(如MEMS扫描镜)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方式。MEMS扫描镜是一种硅基半导体元器件,属于固态电子元件;但是MEMS扫描镜并不“安分”,内部集成了“可动”的微型镜面;由此可见MEMS扫描镜兼具“固态”和“运动”两种属性,故称为“混合固态”。

对于激光雷达来说,MEMS最大的价值在于:原本为了机械式激光雷达实现扫描,必须使激光发射器转动。而MEMS微机电系统可以直接在硅基芯片上集成体积十分精巧的微振镜,由可以旋转的微振镜来反射激光器的光线,从而实现扫描。

这样一来,激光雷达本身不用再大幅度地进行旋转,可以有效降低整个系统在行车环境出现问题的几率。另外,主要部件运用芯片工艺生产之后,量产能力也得以大幅度提高,有利于降低激光雷达的成本,可以从上千乃至上万美元降低到数百美元。相比于机械式激光雷达,固态激光雷达结构上最大的特点就是没有了旋转部件,个头相对较小。

固态激光雷达的优点包括了:数据采集速度快,分辨率高,对于温度和振动的适应性强;通过波束控制,探测点(点云)可以任意分布,例如在高速公路主要扫描前方远处,对于侧面稀疏扫描但并不完全忽略,在十字路口加强侧面扫描。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。从使用的技术上,固态激光雷达分为OPA固态激光雷达和Flash固态激光雷达。

OPA(optical phased array)光学相控阵技术。对军事有所了解的读者,应该会知道相控阵雷达,美海军宙斯盾舰上那一块蜂窝状的“板子”就是它。而光学相控阵使用的即是原理相同的技术。OPA运用相干原理(类似的是两圈水波相互叠加后,有的方向会相互抵消,有的会相互增强),采用多个光源组成阵列,通过控制各光源发光时间差,合成具有特定方向的主光束。然后再加以控制,主光束便可以实现对不同方向的扫描。

相对于MEMS,这一技术的电子化更加彻底,它完全取消了机械结构,通过调节发射阵列中每个发射单元的相位差来改变激光的出射角度。因为没有任何机械结构,自然也没有旋转。所以相比传统机械式雷达,OPA固态激光雷达有扫描速度快、精度高、可控性好、体积小等优点。但也易形成旁瓣,影响光束作用距离和角分辨率,同时生产难度高。

Flash原本的意思为快闪。而Flash激光雷达的原理也是快闪,不像MEMS或OPA的方案会去进行扫描,而是短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光,再以高度灵敏的接收器,来完成对环境周围图像的绘制。因此,Flash固态激光雷达属于非扫描式雷达,发射面阵光,是以2维或3维图像为重点输出内容的激光雷达。某种意义上,它有些类似于黑夜中的照相机,光源由自己主动发出。

Flash固态雷达的一大优势是它能快速记录整个场景,避免了扫描过程中目标或激光雷达移动带来的各种麻烦。不过,这种方式也有自己的缺陷,比如探测距离较近。这意味着Flash固态激光雷达没有“远视眼”,在实际使用中不适合远程探测,而业内专家坚信,全自动驾驶汽车上搭载的激光雷达至少一眼就得看到200到300米外的物体。

其实Flash固态激光雷达的成本还是相对低,但基于3D Flash技术的固态激光雷达,在技术的可靠性方面还存在问题。

(责任编辑:fqj)

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