【導讀】LiDAR系統使用脈沖激光照射目標區域，并測量反射信號返回接收器所需的時(shí)間。LiDAR系統一般包括：激光源或其它發(fā)射器、靈敏的光電探測器或其它接收器、同步和數據處理電子系統、運動(dòng)控制設備或微機電系統（MEMS）掃描鏡（二選一），均是基于精確的激光掃描組件并可用于創(chuàng )建3D地圖或收集近距離數據。
對于LiDAR（激光雷達）來(lái)說(shuō)，一種類(lèi)型的激光并不能適用于所有情況：系統設計者需了解實(shí)際應用環(huán)境及性能需求后，才能對光源進(jìn)行選擇。
據報道，對激光探測和測距（LiDAR）系統、服務(wù)于自動(dòng)駕駛汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的零部件制造商來(lái)說(shuō)，合并及收購活動(dòng)極其瘋狂，同時(shí)其他行業(yè)也加入LiDAR狂熱大軍。
豐田最新自動(dòng)駕駛平臺增加LiDAR
LiDAR系統使用脈沖激光照射目標區域，并測量反射信號返回接收器所需的時(shí)間。LiDAR系統一般包括：激光源或其它發(fā)射器、靈敏的光電探測器或其它接收器、同步和數據處理電子系統、運動(dòng)控制設備或微機電系統（MEMS）掃描鏡（二選一），均是基于精確的激光掃描組件并可用于創(chuàng )建3D地圖或收集近距離數據。
LiDAR系統簡(jiǎn)示圖
LiDAR工作原理圖
據了解，在這些所需的組件中，激光本身就有助于提升整個(gè)系統的性能。比如，激光光束質(zhì)量和發(fā)散角是負責LiDAR制圖的橫向（x軸和y軸）分辨率，而短脈沖持續時(shí)間和時(shí)間抖動(dòng)則是負責縱向（z軸）的精度。再比如，脈沖能量是實(shí)現長(cháng)程的關(guān)鍵參數，而高脈沖重復率則可提升掃描速度并提高數據吞吐量。
激光性能考量因素
高峰值功率（幾十千瓦至幾十兆瓦）脈沖（納秒范圍）的固態(tài)激光器已用于LiDAR數十年，尺寸、重量、成本、功耗、液體冷卻、沖擊與振動(dòng)靈敏度，以及極端環(huán)境限制了LiDAR儀器在移動(dòng)設備、空中和空間應用中的發(fā)展。但像意大利Bright Solutions這樣的公司，近日開(kāi)發(fā)出新一代高功率、亞納秒、通過(guò)空氣或熱傳導冷卻的Q開(kāi)關(guān)固態(tài)激光器。此類(lèi)激光器可打破以往的限制，并提供從紫外線(xiàn)到近紅外的多種激光波長(cháng)。
Bright Solutions公司的固態(tài)激光器
對于機載地形測繪，通常使用波長(cháng)約為1µm的激光光源，這種波長(cháng)可使光波在保證用眼安全的前提下將投射范圍擴展到足夠大。而對于海洋測繪（即海底和沿海地區的高分辨率測繪），常使用一種高能量的、頻率倍增的532 nm的激光光源，這是由于綠色光的波長(cháng)是純水的高透波率與潛艇微粒的有限反向散射之間最合適的折中。
機載地形測繪示意圖
如果單考慮成本和能耗，532 nm至1 µm的波長(cháng)通常是有益的，但若要達到相對較遠的距離，激光的強度就很容易超過(guò)1類(lèi)激光安全極限。這種情況下，如果光波沒(méi)有達到符合用眼安全的直徑（從而增加系統尺寸），激光發(fā)射就會(huì )對人眼造成傷害。
不同波長(cháng)激光眼損傷部位
民用和商業(yè)應用中，保證用眼安全的激光器在高性能緊湊型LiDAR中越來(lái)越受歡迎。在用眼安全的波長(cháng)范圍內，當在地形測繪和避障中探測固體時(shí)，通常需要約紅外激光器發(fā)射1.5 µm的波長(cháng)。事實(shí)上，大氣情況良好時(shí)，探測器在1.5 µm范圍內是非常高效的?；蛘?，約355 nm或更短的紫外線(xiàn)波長(cháng)是保證用眼安全的大氣LiDAR系統的最佳選擇，因為大氣微粒有相對較高的反向散射系數。
除了考慮波長(cháng)，脈沖持續時(shí)間是否也很重要？理想情況下，LiDAR的設計者們希望達到毫米到厘米級的縱向測量分辨率，因此應該考慮短脈沖持續時(shí)間。即便如此，非常短的脈沖（約幾皮秒）也會(huì )導致激光光譜和接收機帶寬的擴大，從而使信噪比變差。另一方面，脈沖超過(guò)1納秒，噪聲減少，但分辨率也會(huì )降低。使脈沖持續時(shí)間達到約幾百皮秒（或亞納秒），這是高縱向精度和信噪比的最佳權衡方案。
這里我們詳細介紹自動(dòng)駕駛車(chē)輛LiDAR的激光選擇。
自動(dòng)駕駛車(chē)輛LiDAR
據ABI Research最近的一項調查顯示，到2026年1月，汽車(chē)上的LiDAR設備數量將達到6900萬(wàn)部。正如Keopsys集團（拉尼翁，法國）的Frederic Chiquet、研發(fā)經(jīng)理Guillaume Canat和首席執行官Marc le Flohic所解釋的那樣，現存兩類(lèi)主要的自動(dòng)駕駛汽車(chē)LiDAR系統：3D Flash LiDAR和掃描式LiDAR。
Flash LiDAR使用的是廣角發(fā)射源和廣角光學(xué)系統（例如魚(yú)眼鏡頭），將在單個(gè)發(fā)射過(guò)程中獲得的反散射光集中于矩陣探測器上，以獲得用于模擬車(chē)輛周?chē)鷧^域的所有飛行時(shí)間（ToF）數據。相反地，掃描式LiDAR可以逐行地處理3D環(huán)境；光在每個(gè)方向上依次發(fā)射，對應的回聲由探測器逐個(gè)檢測。符合用眼安全的激光源必須以脈沖模式工作，光束需強大到能夠探測到100米外穿深色衣服的行人，工作溫度為-40到85°C，并且可發(fā)射出測距精度達10厘米的脈沖。
許多LiDAR光源是基于激光二極管，也有非制冷光纖激光器，較激光二極管有諸多的優(yōu)勢，如擁有高功率光束分裂和使用光纖路由到多個(gè)傳感器位置的能力。使用主振蕩器功率放大器（MOPA）結構中，一種典型的1550 nm LiDAR的光纖激光器的脈沖重復率達到5~250 kHz，功率水平分別為10~15 kW和200~300 W。
脈沖激光二極管和光纖激光源用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)LiDAR的應用對比研究如下。
自動(dòng)駕駛車(chē)輛LiDAR應用中脈沖激光二極管和光纖激光器來(lái)源的比較（來(lái)源：Keopsys集團）
專(zhuān)用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的脈沖激光二極管是混合器件。激光芯片安裝在由MOSFET晶體管觸發(fā)的電容器中。每當晶體管的柵極開(kāi)啟時(shí)，電容器內積累的電荷就會(huì )被釋放到芯片中，從而釋放出光脈沖。盡管此類(lèi)型光源的性?xún)r(jià)比不錯，相比昂貴的1550nm InGaAs光電二極管，其905 nm的輸出很容易被硅探測器檢測到，但激光二極管具有有限的脈沖重復率和較低的峰值功率，并且受到過(guò)熱效應的限制。
3D Flash LiDAR的激光二極管光源是基于二極管堆疊技術(shù)，用幾個(gè)邊緣發(fā)射器垂直封裝在一起，每層之間均由一層薄的散熱片隔開(kāi)以防內部過(guò)熱。不幸的是，非相干堆疊增加會(huì )導致輸出功率高，這樣通常不能滿(mǎn)足1類(lèi)用眼安全的需求。盡管VCSEL是一種比疊加技術(shù)性?xún)r(jià)比更高的替代方案，但其較弱的輸出功率將其限制在短程ToF的應用中。
（來(lái)源：麥姆斯咨詢(xún)）
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