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(dǎo)：林燕丹

ADAS（高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)）是車載傳感器和設(shè)備的總稱，旨在提高交通安全和實(shí)現(xiàn)高級(jí)自動(dòng)駕駛。激光雷達(dá)系統(tǒng)被認(rèn)為是 ADAS 不可或缺的一部分，以補(bǔ)充相機(jī)和雷達(dá)等其他傳感器。他們通過提供車輛環(huán)境的實(shí)時(shí)高分辨率 3D 表示來實(shí)現(xiàn)這些補(bǔ)充，其中包含每個(gè)對(duì)象區(qū)域的位置信息，以便 ADAS 可以提前檢測(cè)到障礙物和潛在危險(xiǎn)。為此，激光雷達(dá)必須具有連續(xù)工作的可靠性并準(zhǔn)確地提供信息。在本文中，首先通過將激光雷達(dá)系統(tǒng)與車輛中應(yīng)用的其他傳感器進(jìn)行比較，找出ADAS中激光雷達(dá)系統(tǒng)的要求。隨后，根據(jù)所述激光雷達(dá)功能和道路行駛狀況，介紹了不同類型的激光雷達(dá)系統(tǒng)，涉及交通安全和駕駛員輔助。

01“激光雷達(dá)”

激光雷達(dá)是“光探測(cè)和測(cè)距”的首字母縮寫。它發(fā)射一束光并測(cè)量光的飛行時(shí)間（TOF）以獲得目標(biāo)距離信息。過去十年見證了激光雷達(dá)傳感器在汽車行業(yè)的快速發(fā)展。然而，限制其發(fā)展的主要障礙之一是很少為激光雷達(dá)傳感器制定標(biāo)準(zhǔn)。相比之下，汽車照明有各種標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，例如，用于鹵素前照燈的 UNECE 車輛法規(guī)和用于 LED 前照燈的 UNECE 車輛法規(guī)。因此，需要研究激光雷達(dá)傳感器的指標(biāo)以進(jìn)一步提高其性能。

02“ADAS和自動(dòng)駕駛”

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) ，顧名思義，通過支持不同的駕駛?cè)蝿?wù)來幫助駕駛員避免事故。ADAS 感興趣的駕駛?cè)蝿?wù)可以分為兩個(gè)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?cè)蝿?wù)。

根據(jù) SAE 標(biāo)準(zhǔn) J 3016，自動(dòng)駕駛根據(jù)車輛代替駕駛員執(zhí)行駕駛?cè)蝿?wù)的程度分為六個(gè)等級(jí)。0 級(jí)代替無自動(dòng)化，因此駕駛員必須執(zhí)行所有駕駛?cè)蝿?wù)，而車輛必須在 5 級(jí)中通過完全自動(dòng)化來執(zhí)行所有駕駛?cè)蝿?wù)。ADAS的功能對(duì)應(yīng)于自動(dòng)駕駛的不同層次。例如，LDW 和 BSD 被歸類為0級(jí)，因?yàn)樗鼈儌B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(diào)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(jí)。為了支持表一中提到的駕駛?cè)蝿?wù)，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(dá)和雷達(dá)。超聲波傳感器測(cè)量超聲波脈沖的飛行時(shí)間以獲得距離信息。由于聲速的限制，超聲波傳感器一般應(yīng)用于低速行駛工況。與超聲波傳感器相比，攝像頭、激光雷達(dá)和雷達(dá)是基于電磁波的。因此，可以在高速行駛時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)目標(biāo)。傳感器融合可以利用不同的傳感器，提高系統(tǒng)可靠性。

03“電磁傳感器”

電磁傳感器通過主動(dòng)發(fā)射或被動(dòng)接收將電磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的電磁波來測(cè)量所需的物理量。其中，車載光學(xué)傳感器通常利用可見光、紅外和無線電光譜中的波長(zhǎng)s來測(cè)量物體（圖1）

圖1 電磁波譜

1）相機(jī)

相機(jī)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 作為檢測(cè)器。由于它們?cè)诳梢姽庾V（380 nm 至 780 nm）中的高量子效率，相機(jī)可以提供高分辨率彩色圖像。因此，他們?cè)谧詣?dòng)駕駛中的主要任務(wù)是識(shí)別和跟蹤物體。

TOF 相機(jī)將脈沖光照射到所需的視場(chǎng) (FOV)。距離 (D) 是用發(fā)射脈沖 T TOF的戰(zhàn)斗時(shí)間和光速 c 來測(cè)量的。測(cè)量距離用(1)表示

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

2）雷達(dá)

雷達(dá)使用毫米波來高精度測(cè)量移動(dòng)目標(biāo)的徑向距離和速度。此外，它們?cè)跇O端環(huán)境條件下也很強(qiáng)大，例如低照度、下雪和下雨。與相機(jī)和激光雷達(dá)相比，雷達(dá)系統(tǒng)直接使用多普勒效應(yīng)測(cè)量目標(biāo)的相對(duì)速度。

3）激光雷達(dá)

激光雷達(dá)是利用近紅外輻射的光學(xué)傳感器，通常由發(fā)射器、探測(cè)器、光束轉(zhuǎn)向裝置和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路 ( TDC ) 組成，以確定距離信息。FOV 的覆蓋是通過光學(xué)鏡頭或掃描設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于車載激光雷達(dá)來說，測(cè)距原理是基于TOF的，可以分為兩種模式。在直接 TOF 中，測(cè)量發(fā)射脈沖和接收信號(hào)之間的時(shí)間差。假設(shè)發(fā)射器和檢測(cè)器位于同一位置，激光脈沖在TOF 內(nèi)沿路徑兩次到達(dá)反射物體。在間接 TOF 中，傳輸?shù)氖沁B續(xù)調(diào)制正弦波 (cw)。測(cè)量發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)之間的相位差。激光雷達(dá)傳感器在自動(dòng)駕駛中的主要任務(wù)是里程計(jì)和地圖繪制

04“激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能指標(biāo)”

1）發(fā)射器波長(zhǎng)

發(fā)射器的波長(zhǎng)是激光雷達(dá)傳感器的一個(gè)重要參數(shù)。它決定了用作檢測(cè)器的光電二極管的靈敏度，對(duì)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(jié)構(gòu)

(a) 邊緣發(fā)射激光器 (b) 垂直腔表面發(fā)射激光器

圖2顯示了邊緣發(fā)射激光器 (EEL) 和垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL) 的基本結(jié)構(gòu)。與 VCSEL 相比，EEL 的優(yōu)勢(shì)在于高發(fā)射功率。在背景噪聲恒定的情況下，這會(huì)產(chǎn)生良好的信噪比 (SNR)，并有助于實(shí)現(xiàn)較大的檢測(cè)范圍。

2）視野

視野是指激光雷達(dá)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(jī)械旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)能夠產(chǎn)生 2π 弧度的水平覆蓋。對(duì)于掃描激光雷達(dá)，F(xiàn)OV 是在考慮刷新率和兩個(gè)相鄰脈沖之間的間隔的情況下定義的。

3）蕞大檢測(cè)范圍

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

圖3   發(fā)射器和檢測(cè)器的脈沖調(diào)制

脈沖激光雷達(dá)的理論蕞大探測(cè)范圍的計(jì)算在（2）中給出。

Rt是理論蕞大探測(cè)范圍，c是空氣中的光速，t是脈沖間隔。對(duì)于500 m的蕞大檢測(cè)范圍，發(fā)射脈沖必須以小于300 kHz的頻率進(jìn)行調(diào)制。激光雷達(dá)的探測(cè)范圍往往受發(fā)射器輸出功率（PT）、光學(xué)系統(tǒng)的傳輸效率（ηsys）和大氣衰減（ηatom）的影響。因此，實(shí)際的蕞大檢測(cè)范圍 Rp可以由 (3)表示。

RP是探測(cè)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(qū)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(dá)系統(tǒng)區(qū)分兩個(gè)目標(biāo)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(cè)器上兩個(gè)相鄰掃描點(diǎn)或兩個(gè)相鄰像素之間的對(duì)應(yīng)角度。4 級(jí)自動(dòng)駕駛需要 0.1°x 0.1°的角分辨率。

6）激光安全

標(biāo)準(zhǔn)IEC 60825-1將波長(zhǎng)范圍180 nm至1 mm的激光產(chǎn)品的安全性根據(jù)眼睛危害的增加分為1級(jí)至4級(jí)八個(gè)等級(jí)。1級(jí)激光安全性是指對(duì)長(zhǎng)期光束內(nèi)觀察安全的激光產(chǎn)品。在特別是，“眼睛安全”侭描述1類產(chǎn)品。由于車載激光雷達(dá)系統(tǒng)必須“人眼安全”，因此它們必須滿足1類要求。

7）激光雷達(dá)系統(tǒng)的類型

激光雷達(dá)傳感器可根據(jù)其光束轉(zhuǎn)向方法分為三種類型。帶有旋轉(zhuǎn)發(fā)射器和探測(cè)器的激光雷達(dá)可以被視為機(jī)械激光雷達(dá)。在混合固態(tài)激光雷達(dá)中，發(fā)射器和檢測(cè)器不移動(dòng)。相反，光束的轉(zhuǎn)向是通過可移動(dòng)的光學(xué)組件實(shí)現(xiàn)的，例如微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 和 Risley 棱鏡。固態(tài)激光雷達(dá)作為所謂的閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)照亮整個(gè) FOV，或利用相控陣光學(xué) (OPA) 來控制光束。圖4公開了激光雷達(dá)傳感器的不同掃描方法。

圖4 (a) 機(jī)械激光雷達(dá)中的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向

05“討論”

1）掃描技術(shù)

發(fā)射功率和激光束在大氣中的傳輸是根據(jù)（3）確定激光雷達(dá)系統(tǒng)蕞大探測(cè)范圍的兩個(gè)參數(shù)。圖 5 分別顯示了激光雷達(dá)系統(tǒng)與發(fā)散照明和準(zhǔn)直光束的比較。

圖5 (a) 具有發(fā)散照明的激光雷達(dá)

(b) 具有準(zhǔn)直光束的激光雷達(dá)

如前面（3）所述，輸出能量和接收能量的能量比與目標(biāo)距離的平方成正比。

2）基于激光安全的輸出功率

激光雷達(dá)系統(tǒng)的檢測(cè)范圍可以通過擴(kuò)大輸出功率輕松增加。但是，這個(gè)參數(shù)受到激光安全要求的限制。因此，必須研究不同調(diào)制和波長(zhǎng)的激光安全性。圖 6 中的流程圖旨在計(jì)算激光雷達(dá)系統(tǒng)的蕞大可達(dá)發(fā)射功率。

圖6 脈沖激光雷達(dá)蕞大可訪問

輸出功率計(jì)算流程圖

3）大氣中的激光束衰減

影響激光雷達(dá)系統(tǒng)檢測(cè)范圍的另一個(gè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)是在 296 K 的室溫和 1 bar 的壓力下測(cè)量的。顯然，水分子有四個(gè)吸收峰。同時(shí)，二氧化碳分子幾乎不吸收相應(yīng)范圍內(nèi)的紅外線。為了比較激光雷達(dá)系統(tǒng)中使用的兩種典型波長(zhǎng)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(jù)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(duì)大氣衰減沒有顯著影響，因此需要評(píng)估散射的影響。根據(jù)散射對(duì)象的大小，會(huì)發(fā)生三種散射。尺寸參數(shù) α 表示大氣中顆粒尺寸 r 與激光波長(zhǎng) λ 的比值，它決定了散射的類型。瑞利散射發(fā)生在 α <0.1。米氏散射發(fā)生在α在0.1~10范圍內(nèi)。當(dāng)粒子的尺寸遠(yuǎn)大于透射波長(zhǎng)（α>10）時(shí)，幾何散射占主導(dǎo)地位，指的是雨雪冰雹的天氣條件對(duì)于所考慮的波長(zhǎng)。

06“結(jié)論”

本文介紹并研究了影響激光雷達(dá)傳感器性能的重要指標(biāo)?；趯?duì)不同商業(yè)系統(tǒng)的審查和對(duì)激光雷達(dá)指標(biāo)的討論，開發(fā)了對(duì)不同激光雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)評(píng)估。根據(jù)第五章的討論，具有脈沖調(diào)制和 1550 nm 波長(zhǎng)的激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠蕞大限度地提高輸出功率和對(duì)極端天氣條件的魯棒性。同時(shí)，相對(duì)于 905 nm，1550 nm的激光雷達(dá)系統(tǒng)更能適應(yīng)激光安全的要求。