一文简述自动驾驶车辆激光雷达的部件功能

据外媒报道，自动驾驶车辆配置的多款摄像头，旨在用该设备探查道路上的障碍物并绘制车辆周边环境。在各类传感器中，在功能方面，激光雷达传感器与人眼最为接近，其光探测和测距系统（detection and ranging system）与雷达类似，但其采用了光波替代了无线电波（radio waves）。

激光雷达系统利用激光脉冲信号“照亮（illuminate）”目标区域，并计算反射信号返回接收器的用时。该类系统由光源、光电探测器、数据处理电子器件及运动控制设备。

自动驾驶车辆大体采用了两类激光雷达设备，其分类依据为扫描车辆周边环境时所采用的方式，其中：1、3D闪光式激光雷达（3D flash LiDAR）由宽视角源及广视角光学件构成，旨在聚焦探查设备一次曝光（one exposure）上的所有反射光。2、扫描式激光雷达系统可向各个方向发射激光，逐个探查回响（echoes）以便绘制车辆周边环境。

激光源（laser source）对激光雷达性能将起到最关键的作用，激光束的品质及发散（divergence）在高侧向分辨率（high lateral resolution）方面将起到重要作用。较短的激光脉冲持续时间（laser pulse duration）和低时间抖动（low timing jitter）可确保良好的纵向精度（longitudinal accuracy）。对获取远程搜索（long－range detection），脉冲能量（Pulse energy）是一项重要参数。此外，高脉冲重复频率（high pulse repetition rates）可提升扫描速度，从而实现较高的数据输出。

600 nm－1000 nm的波长通常被用于非科研应用。人眼对该波段的波长较为敏感。激光雷达系统的运行波长为905 nm，限制其探测范围。而1．5 um红外激光器可作为替代品，用于探查远距离的固体及障碍物，因为该类光不会被人眼吸收，其实用于高性能应用。此外，该波长的光在大气环境下通常呈透明的，可被用于高效能的探测器。

脉冲持续时间是实现高性能的另一关键性因素。许多短序列脉冲持续时间只有数皮秒（picoseconds），有助于实现毫米级到厘米级纵向分辨率（longitudinal resolution）。

然而，该脉冲较短，容易引起激光光谱（laser spectrum）的增宽，从而降低信号噪声比（signal－to－noise ratio，SNR）。尽管持续时间超过1纳秒（nanosecond）的脉冲可消除噪声，但同样会降低系统的分辨率。为在高纵向精度与良好的SNR中取得平衡，当前脉冲持续时间为数百皮秒。

激光器二极管与光纤激光器（Laser－diodes and fiber－lasers）通常被用于激光雷达系统中。激光器二极管光源通常采用纵向堆栈，这意味着将新增一个堆栈层，使得激光能量（laser powers）超过1级视力安全激光器的激光能量。

若用垂直腔（vertical－cavity）面发射激光器（surface－emitting laser），可降低总输出功率，并降低该系统功能运转的最大距离。而光线激光器所提供的脉冲重复频率：当功率等级为10 W时，脉冲重复速率为5 kHz。当功率等级为300 W时，脉冲重复速率为250 kHz。然而，相较于脉冲二极管系统（pulsed－diode systems），该类系统较为昂贵。

激光雷达务必含有视力安全波长，且能够在黑暗中探查到100米外的目标物，探查精度为10厘米，操作温度在零下40摄氏度到85摄氏度。

（作者：李文龙）

审核编辑 黄昊宇