【技術前沿】激光雷達與前照燈融合的研究

原文：《Study on the Integration of Headlamp and LiDAR》         

作者：謝延青        

編譯：趙晨堯，郭雨欣        

指導：林燕丹        

簡介：光探測與測距（ LiDAR ）作為一種精密的 3D 成像傳感器，成為自動駕駛的關鍵設備之一。通常遠程激光雷達安裝在車輛前部，靠近前照燈的位置。如果 LiDAR 可以安裝在前照燈中，這將對其應用大有幫助，因為前照燈通常結合外殼、外透鏡、電子系統、冷卻系統，有的還與清潔系統結合在一起。本文希望研究將激光雷達集成到前照燈中的可能性以及可能遇到的問題。計算了前照燈外透鏡曲率對激光雷達角度精度的影響，結果表明小曲率半徑對角度精度影響很大。LiDAR 安裝位置、空間和熱相關問題也單獨討論。                  

隨著這些年自動駕駛的發展，傳感器也在飛速發展，激光雷達逐漸成為這些傳感器中最炙手可熱的設備。相對于攝像頭，激光雷達可以主動發光，在黑暗環境下優勢明顯，前照燈為駕駛員或其他交通參與者提供遠光近光和信號功能。它們主要設計為對稱且垂直居中于車輛上。線束、冷卻系統、外殼和調平系統等。前照燈可為激光雷達提供便捷的應用環境，同時不影響車輛美觀。本文希望研究將激光雷達集成到前照燈中的可能性，以及在此過程中可能遇到的問題。                      

1、車載激光雷達原理        

激光雷達感知系統常用的技術包括調頻連續波（FMCW）、結構光、三角學和飛行時間（ ToF ）等。這些技術的目標相同，但應用卻截然不同。ToF因其簡單和強大的設置而被廣泛應用。TOF可以分為兩類：一類是間接飛行時間（ iToF ），它將光調制成一定的頻率，通過計算發射光和接收光之間的相位差來獲取深度信息信號。另一種ToF方法是通過計算時間延遲來捕捉距離，其中光信號發射到周圍環境中，反射或后向散射的信號將被檢測和處理。dToF是目前車載激光雷達的主流。圖 1 說明了dToF和iToF的原理，距離可以通過以下公式計算：        

圖 1. iToF和dToF 示意圖        

我的飛行時間：        

d飛行時間：        

其中d為測量距離， c為激光在空氣中的速度， Δt為發射和接收光信號的時間差，Δφ為光的相位差， f為調制頻率。        

2、汽車激光雷達的組成和分類        

許多科學團體和公司已經為不同領域的應用構建了 LiDAR 感知系統。一些系統已經商業化并應用于汽車。使用dToF的 LiDAR 的主要部件包括光源、探測器、光學轉向系統、驅動器和信號處理電路 [1-3]。目前，車用激光雷達主要采用激光二極管（LD）作為光源，部分廠商考慮使用更高功率和更好光束質量的光纖激光器以獲得更遠的測量范圍。        

1）機械式        

機械旋轉鏡在均勻的掃描速度下提供線性和平行掃描，是最成熟的解決方案。多個源和檢測器對單元沿旋轉軸平行放置。機械式 LiDAR 可以實現 360° 連續旋轉（通常是水平方向），這有助于獲得更高的掃描分辨率。垂直分辨率取決于可用光源和檢測器的數量。為了避免激光束的阻擋，通常安裝在汽車的車頂上。        

2）G振鏡        

振鏡掃描系統一直是激光加工市場的主要應用。并且由于設置簡單、成本低、 FoV范圍廣，也成為了LiDAR的主要途徑。可以通過圍繞兩個相互垂直的軸旋轉雙振鏡來獲得 3D 深度信息。        

3）多邊形        

多邊形有多個繞軸旋轉的反射面，也是一種流行的激光雷達解決方案來實現掃描。該方法的垂直分辨率由不同的反射鏡夾角決定或通過增加更多的源和探測器對單元來增強。這樣就可以得到等距角度的同心數據掃描線。多邊形的掃描模式缺乏靈活性，但大反射鏡有利于長距離測距。        

4）特快專遞        

MEMS反射鏡與檢流計類似，但具有體積小、功耗低、動作速度快等優點。它們通常由壓電和電磁驅動，使其更易于集成。然而，MEMS鏡面的旋轉角度有限，因此在測量廣角時，例如需要多組件或魚眼廣角鏡頭。        

圖 2. (a) 機械式 LiDAR 簡化示意圖；(b) 雙振鏡激光雷達的簡化示意圖；(c) 多面鏡激光雷達簡化示意圖；(d) 二維 MEMS 反射鏡 LiDAR 的簡化示意圖        

1）外鏡頭        

外透鏡是汽車造型的一部分，是保護車燈內部部件的重要光學元件，但外透鏡的自由曲面也可能影響內部光學器件的光路。下面將討論外透鏡對透射率和精度的影響。        

A.透射率        

激光雷達的測量范圍基于到達目標的光波的往返延遲。范圍的最大值直接由激光輸出功率決定。因此，需要考慮前照燈外透鏡的透光率對功率的影響。圖 3 顯示了典型的汽車燈罩和外透鏡。左側外透鏡，半徑較小，右側較大。位置a 和b 對應兩個安裝位置。可以看出，由于傾斜的外透鏡，位置a處的光與外透鏡之間的角度1比角度2大。        

圖3 前照燈示意圖，位置a和b對應的入射角分別為1和2。        

根據麥克斯韋的光電磁理論和菲涅耳公式，光由兩個垂直波組成；一種是平行偏振波，另一種是垂直波。反射率可以通過求解以下方程 [4] 來計算：        

在這里 n? , n?是空氣和外透鏡的折射率。cosθ?和cosθ?項分別是入射角和折射角。R‖和R⊥為平行波和垂直波的反射率。        

R為平均反射率， R = ( R ‖ + R ⊥ ) /2如果不考慮界面處的吸收和散射，則透射率T = 1 – R。L aser是高偏振光源，也遵循這個方程。        

計算了PC材料外透鏡的透光率，給出了入射角與透光率的關系。在圖4中我們可以看到在50°內透光率變化不大，但是一旦超過這個角度，透光率就會迅速下降，這意味著在某些傾斜的外透鏡中，LiDAR可能會在某些大入射角下影響測量范圍的性能面積由于輸出功率下降。        

圖 4 入射角與全反射率、透射率、平行波和垂直波反射率的關系        

B.彎曲半徑        

前照燈的前照燈外透鏡的內外表面一般為兩個相互平行的曲面界面。類似于平行板。因此，外透鏡會改變 LiDAR 光學系統的光路并引入像差。普通平面平行板不會影響激光的傳播角度，但自由曲面會對激光雷達原有的發射和接收光路產生一定的影響。圖 5 顯示了外透鏡曲面的簡化模型。        

圖 5. 光路簡化示意圖        

根據斯涅爾定律，有以下等式：        

t是外透鏡的厚度， r是外表面的曲率半徑， i是光的入射角， i'是內表面的折射角， i?'和i?分別是透鏡外表面的入射角和折射角，n?是空氣的折射率， n?是外透鏡的折射率。        

光線通過彎曲的外透鏡后會發生偏移，最終折射角與入射角的偏差為Δ=i?+i'-i?' - i 。方程可以簡化為：        

由于光路可逆性原理，發射光路和接收光路會有相同的缺陷，因此計算出發射光路。圖 6 顯示了不同外透鏡曲率半徑下角度差與不同入射角的關系。        

圖 6 不同外透鏡曲率半徑下角度差與不同入射角的關系（PC材料，t=2.5mm）        

我們可以看到，當 r = 600mm，對于40°入射角，偏差將超過0.1°，接近市場產品的分辨率。需要光學補償或軟件校正來提高激光雷達的精度。        

C.棱鏡        

信號功能一般要求能見度，即在一定的角度范圍內滿足一定的光強要求。雖然法規已經將能見度調整到了更合理的范圍，降低了位置和轉向燈能見度的設計難度，但由于造型或系統布局的要求，仍然可以在外鏡片內表面或外表面增加一些棱鏡來滿足法規要求。這將使激光雷達在相應區域失效。所以，這個問題應該在初步發展狀態下平衡。在激光雷達的透明區域也應避免M老分型線和不良表面質量，這會導致類似的輸出功率下降現象。        

2）熱和空間        

前照燈是靠近車輛發動機的半密封腔體，發動機運轉后零件內部的溫度會升高。前照燈中的燈泡或LED 光源在點亮期間也會產生大量熱量。激光雷達與光源略有不同。車輛在行駛時，對遠距離環境的感知也會隨著車速的增加而增加。燈管周圍的氣流也會加快，有利于降低環境溫度，也有利于激光雷達的高性能工作；當車輛在低速或停車時，距離感知的需求降低，燈周圍的氣流速度也降低。除上述風險外，高溫引起的激光波長偏移與發射功率損耗的影響相同，會影響精度并縮短測量范圍。波長穩定的LD是解決方案之一。        

前照燈腔體通常是一個緊湊的空間，一般包括遠光燈、近光燈、轉向燈、定位和停車功能、日間行車燈、角燈或全天候燈等。在原有的緊湊空間中添加激光雷達模塊的問題可以解決通過以下方式緩解。將遠光燈和近光燈的單功能集成或與自適應遠光燈集成為雙功能或多功能光束是一種有效的方法。共享轉向信號燈、位置燈和日間行車燈的光學組件也可以節省空間。適當增加燈的內部空間，不僅可以緩解這個問題，而且更容易獲得曲率半徑更大的外透鏡區域，以降低對激光雷達的透光率影響。        

太陽能聚焦是普通光模塊熱分析的一部分。但對于 LiDAR 模塊，一般采用帶通濾波器來減少環境光對系統的影響。允許通過的波長范圍為幾十納米，可能的聚焦效應影響較小。        

3）清洗裝置        

窗口污染直接影響激光雷達測量精度，因此我們可以看到市場上許多制造商都添加了清潔裝置。但相應的設計和集成復雜度增加了。前照燈清洗系統是一項成熟的技術，根據ECE第45號和第48號規定，如果近光燈光源超過2000lm，必須安裝該系統以保證前照燈光學性能。增加清洗裝置也有幫助以平衡不斷增長的光學需求。主機廠逐漸提高了對遠光和近光道路照明的要求，為客戶提供更好的駕駛體驗。這要求道路上的光通量更高，特別是對于纖細的造型。然而，光源光通量的限制使光學設計陷入困境。如果結合前照燈和激光雷達的清潔裝置，還可以適當增加光通量，輕松獲得更好的道路照明。        

4）調平裝置        

集成在大燈內部的調平系統可以根據車輛的實際傾斜狀態調整主要功能的瞄準位置。如果調平系統可以與激光雷達共享，也將有助于動態校正測量范圍并提高精度。因此，當激光雷達的性能在可接受的范圍內時，將其布置在近光燈附近并集成調平系統也是一個不錯的選擇。當然，在設計支架時應考慮適當的加強結構和抗震性，以降低重量增加后失效的風險。        

前照燈是激光雷達的合理安裝位置之一，對車輛流線型設計的美觀影響較小，并增加了對外部鏡頭的保護，允許共享經過驗證的清潔系統技術。但是，模塊在前照燈空間的排列方式需要根據造型來考慮，以平衡菲涅耳透光率。前照燈PC外透鏡對905nm、940nm和1550nm波長具有較高的透過率，對激光光路偏角的影響需要適當的光學補償或軟件校正。該清潔裝置技術成熟，有助于降低激光雷達系統的設計復雜度，同時使近光燈光源的光通量超過允許的2000流明，從而更容易提高道路照度。與水準儀的集成將有助于動態校正測量范圍并提高精度，同時提供提高分辨率的可能性。激光雷達和燈光功能的功耗相當，可以考慮不同工況下不同功率輸出的熱管理方式。選擇適當增加內側空間，不僅可以降低集成過程的難度，還可以降低菲涅耳透光率損失的風險。  

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