【技術文章】車用激光雷達：從需求到技術評估

原文：《Lidars for vehicles: from the requirements to the technical evaluation》

作者：Zhuoqun Dai1, Yang Li, Max Caspar Sundermeier, Tobias Grabe, Roland Lachmayer

編譯：趙晨堯 郭雨欣

指導：林燕丹

ADAS（高級駕駛員輔助系統）是車載傳感器和設備的總稱，旨在提高交通安全和實現高級自動駕駛。激光雷達系統被認為是 ADAS 不可或缺的一部分，以補充相機和雷達等其他傳感器。他們通過提供車輛環境的實時高分辨率 3D 表示來實現這些補充，其中包含每個對象區域的位置信息，以便 ADAS 可以提前檢測到障礙物和潛在危險。為此，激光雷達必須具有連續工作的可靠性并準確地提供信息。在本文中，首先通過將激光雷達系統與車輛中應用的其他傳感器進行比較，找出ADAS中激光雷達系統的要求。隨后，根據所述激光雷達功能和道路行駛狀況，介紹了不同類型的激光雷達系統，涉及交通安全和駕駛員輔助。

01“激光雷達”

激光雷達是“光探測和測距”的首字母縮寫。它發射一束光并測量光的飛行時間（TOF）以獲得目標距離信息。過去十年見證了激光雷達傳感器在汽車行業的快速發展。然而，限制其發展的主要障礙之一是很少為激光雷達傳感器制定標準。相比之下，汽車照明有各種標準和法規，例如，用于鹵素前照燈的 UNECE 車輛法規和用于 LED 前照燈的 UNECE 車輛法規。因此，需要研究激光雷達傳感器的指標以進一步提高其性能。

02“ADAS和自動駕駛”

高級駕駛輔助系統 (ADAS) ，顧名思義，通過支持不同的駕駛任務來幫助駕駛員避免事故。ADAS 感興趣的駕駛任務可以分為兩個不同的類別：橫向控制和縱向控制。表Ⅰ列出了ADAS的基本駕駛任務。

根據 SAE 標準 J 3016，自動駕駛根據車輛代替駕駛員執行駕駛任務的程度分為六個等級。0 級代替無自動化，因此駕駛員必須執行所有駕駛任務，而車輛必須在 5 級中通過完全自動化來執行所有駕駛任務。ADAS的功能對應于自動駕駛的不同層次。例如，LDW 和 BSD 被歸類為0級，因為它們侭提供駕駛員視覺和聽覺提示。相反，駕駛員需要完全控制車輛。相比之下，ACC 調整車輛的速度以確保與前方車輛的安全距離，因此可以歸類為 1 級。為了支持表一中提到的駕駛任務，車輛上集成了四大傳感器，即超聲波傳感器、攝像頭、激光雷達和雷達。超聲波傳感器測量超聲波脈沖的飛行時間以獲得距離信息。由于聲速的限制，超聲波傳感器一般應用于低速行駛工況。與超聲波傳感器相比，攝像頭、激光雷達和雷達是基于電磁波的。因此，可以在高速行駛時實時檢測目標。傳感器融合可以利用不同的傳感器，提高系統可靠性。

03“電磁傳感器”

電磁傳感器通過主動發射或被動接收將電磁信號轉換為電信號的電磁波來測量所需的物理量。其中，車載光學傳感器通常利用可見光、紅外和無線電光譜中的波長s來測量物體（圖1）

圖1 電磁波譜

1）相機

相機通常被歸類為無源傳感器，通常使用電荷耦合器件 (CCD) 和互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 作為檢測器。由于它們在可見光譜（380 nm 至 780 nm）中的高量子效率，相機可以提供高分辨率彩色圖像。因此，他們在自動駕駛中的主要任務是識別和跟蹤物體。

TOF 相機將脈沖光照射到所需的視場 (FOV)。距離 (D) 是用發射脈沖 T TOF的戰斗時間和光速 c 來測量的。測量距離用(1)表示

TOF的飛行時間成正比，由此光以恒定速度 (c) 傳播。此外，立體相機還提供深度圖像，同時利用三角測距原理提供色度信息。

2）雷達

雷達使用毫米波來高精度測量移動目標的徑向距離和速度。此外，它們在極端環境條件下也很強大，例如低照度、下雪和下雨。與相機和激光雷達相比，雷達系統直接使用多普勒效應測量目標的相對速度。

3）激光雷達

激光雷達是利用近紅外輻射的光學傳感器，通常由發射器、探測器、光束轉向裝置和時間數字轉換器電路 ( TDC ) 組成，以確定距離信息。FOV 的覆蓋是通過光學鏡頭或掃描設備實現的。對于車載激光雷達來說，測距原理是基于TOF的，可以分為兩種模式。在直接 TOF 中，測量發射脈沖和接收信號之間的時間差。假設發射器和檢測器位于同一位置，激光脈沖在TOF 內沿路徑兩次到達反射物體。在間接 TOF 中，傳輸的是連續調制正弦波 (cw)。測量發射信號和接收信號之間的相位差。激光雷達傳感器在自動駕駛中的主要任務是里程計和地圖繪制

04“激光雷達系統的性能指標”

1）發射器波長

發射器的波長是激光雷達傳感器的一個重要參數。它決定了用作檢測器的光電二極管的靈敏度，對激光安全方面（G 部分）和大氣吸收（5C 部分）有重大影響。

圖2 激光二極管的結構

(a) 邊緣發射激光器 (b) 垂直腔表面發射激光器

圖2顯示了邊緣發射激光器 (EEL) 和垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 的基本結構。與 VCSEL 相比，EEL 的優勢在于高發射功率。在背景噪聲恒定的情況下，這會產生良好的信噪比 (SNR)，并有助于實現較大的檢測范圍。

2）視野

視野是指激光雷達框架的角度覆蓋范圍，由水平視野（FOV H ）和垂直視野（FOV V ）表示。機械旋轉激光雷達能夠產生 2π 弧度的水平覆蓋。對于掃描激光雷達，FOV 是在考慮刷新率和兩個相鄰脈沖之間的間隔的情況下定義的。

3）蕞大檢測范圍

激光雷達的蕞大探測范圍定義為反射率為10%的朗伯散射體的反射仍能被探測到的距離。發射脈沖的頻率也限制了檢測范圍。由于發射器和檢測器是時間同步的，因此必須在發射下一個脈沖之前檢測睇一個脈沖的反射（圖3）。

圖3   發射器和檢測器的脈沖調制

脈沖激光雷達的理論蕞大探測范圍的計算在（2）中給出。

Rt是理論蕞大探測范圍，c是空氣中的光速，t是脈沖間隔。對于500 m的蕞大檢測范圍，發射脈沖必須以小于300 kHz的頻率進行調制。激光雷達的探測范圍往往受發射器輸出功率（PT）、光學系統的傳輸效率（ηsys）和大氣衰減（ηatom）的影響。因此，實際的蕞大檢測范圍 Rp可以由 (3)表示。

RP是探測器的接收功率。ε是物體的橫截面照明面積。A是物體被照明的區域。Arec是接收器的面積。

4）距離分辨率

距離分辨率ΔR是指激光雷達系統區分兩個目標之間距離間隔的能力，主要由 TDC (B) 的采樣頻率決定，可以表示為 (4)。

5）角分辨率

它是指探測器上兩個相鄰掃描點或兩個相鄰像素之間的對應角度。4 級自動駕駛需要 0.1°x 0.1°的角分辨率。

6）激光安全

標準IEC 60825-1將波長范圍180 nm至1 mm的激光產品的安全性根據眼睛危害的增加分為1級至4級八個等級。1級激光安全性是指對長期光束內觀察安全的激光產品。在特別是，“眼睛安全”侭描述1類產品。由于車載激光雷達系統必須“人眼安全”，因此它們必須滿足1類要求。

7）激光雷達系統的類型

激光雷達傳感器可根據其光束轉向方法分為三種類型。帶有旋轉發射器和探測器的激光雷達可以被視為機械激光雷達。在混合固態激光雷達中，發射器和檢測器不移動。相反，光束的轉向是通過可移動的光學組件實現的，例如微機電系統 (MEMS) 和 Risley 棱鏡。固態激光雷達作為所謂的閃光激光雷達系統照亮整個 FOV，或利用相控陣光學 (OPA) 來控制光束。圖4公開了激光雷達傳感器的不同掃描方法。

圖4 (a) 機械激光雷達中的旋轉掃描儀，

(b)MEMS 掃描方法，(c)Risley 棱鏡掃描，

(d)閃光燈照明，(e)OPA 光束轉向

05“討論”

1）掃描技術

發射功率和激光束在大氣中的傳輸是根據（3）確定激光雷達系統蕞大探測范圍的兩個參數。圖 5 分別顯示了激光雷達系統與發散照明和準直光束的比較。

圖5 (a) 具有發散照明的激光雷達

(b) 具有準直光束的激光雷達

如前面（3）所述，輸出能量和接收能量的能量比與目標距離的平方成正比。

2）基于激光安全的輸出功率

激光雷達系統的檢測范圍可以通過擴大輸出功率輕松增加。但是，這個參數受到激光安全要求的限制。因此，必須研究不同調制和波長的激光安全性。圖 6 中的流程圖旨在計算激光雷達系統的蕞大可達發射功率。

圖6 脈沖激光雷達蕞大可訪問

輸出功率計算流程圖

3）大氣中的激光束衰減

影響激光雷達系統檢測范圍的另一個因素是激光束在大氣中的傳輸，這主要取決于不同氣體成分的吸收和散射。近紅外的吸收主要是由于水（H2O）、臭氧（O3）和二氧化碳（CO2）。圖7表示使用HITRAN（高分辨率透射分子吸收）數據庫的水分子和二氧化碳分子在5000 cm-1 (2000 nm)到12820 cm-1 (780 nm)之間的紅外透射率

圖7 基于 HITRAN 數據庫的水和二氧化碳

分子在在5000 cm-1 (2000 nm)

到12820 cm-1 (780 nm)之間的紅外透射率

圖 7 中使用的 HITRAN 數據是在 296 K 的室溫和 1 bar 的壓力下測量的。顯然，水分子有四個吸收峰。同時，二氧化碳分子幾乎不吸收相應范圍內的紅外線。為了比較激光雷達系統中使用的兩種典型波長的吸收，圖 8 給出了水的分辨率透射率曲線的高分辨率部分。

圖8 水的分辨率透射率曲線

根據圖8，水分子在905 nm (11050 cm -1 )的透過率約為98%，1550 nm (6450 cm -1 )的透過率在99.9%以上。

由于分子吸收對大氣衰減沒有顯著影響，因此需要評估散射的影響。根據散射對象的大小，會發生三種散射。尺寸參數 α 表示大氣中顆粒尺寸 r 與激光波長 λ 的比值，它決定了散射的類型。瑞利散射發生在 α <0.1。米氏散射發生在α在0.1~10范圍內。當粒子的尺寸遠大于透射波長（α>10）時，幾何散射占主導地位，指的是雨雪冰雹的天氣條件對于所考慮的波長。

06“結論”

本文介紹并研究了影響激光雷達傳感器性能的重要指標。基于對不同商業系統的審查和對激光雷達指標的討論，開發了對不同激光雷達系統的技術評估。根據第五章的討論，具有脈沖調制和 1550 nm 波長的激光雷達系統能夠蕞大限度地提高輸出功率和對極端天氣條件的魯棒性。同時，相對于 905 nm，1550 nm的激光雷達系統更能適應激光安全的要求。