【技术文章】车用激光雷达：从需求到技术评估

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

编译：赵晨尧 郭雨欣

指导：林燕丹

ADAS（高级驾驶员辅助系统）是车载传感器和设备的总称，旨在提高交通安全和实现高级自动驾驶。激光雷达系统被认为是 ADAS 不可或缺的一部分，以补充相机和雷达等其他传感器。他们通过提供车辆环境的实时高分辨率 3D 表示来实现这些补充，其中包含每个对象区域的位置信息，以便 ADAS 可以提前检测到障碍物和潜在危险。为此，激光雷达必须具有连续工作的可靠性并准确地提供信息。在本文中，首先通过将激光雷达系统与车辆中应用的其他传感器进行比较，找出ADAS中激光雷达系统的要求。随后，根据所述激光雷达功能和道路行驶状况，介绍了不同类型的激光雷达系统，涉及交通安全和驾驶员辅助。

01“激光雷达”

激光雷达是“光探测和测距”的首字母缩写。它发射一束光并测量光的飞行时间（TOF）以获得目标距离信息。过去十年见证了激光雷达传感器在汽车行业的快速发展。然而，限制其发展的主要障碍之一是很少为激光雷达传感器制定标准。相比之下，汽车照明有各种标准和法规，例如，用于卤素前照灯的 UNECE 车辆法规和用于 LED 前照灯的 UNECE 车辆法规。因此，需要研究激光雷达传感器的指标以进一步提高其性能。

02“ADAS和自动驾驶”

高级驾驶辅助系统 (ADAS) ，顾名思义，通过支持不同的驾驶任务来帮助驾驶员避免事故。ADAS 感兴趣的驾驶任务可以分为两个不同的类别：横向控制和纵向控制。表Ⅰ列出了ADAS的基本驾驶任务。

根据 SAE 标准 J 3016，自动驾驶根据车辆代替驾驶员执行驾驶任务的程度分为六个等级。0 级代替无自动化，因此驾驶员必须执行所有驾驶任务，而车辆必须在 5 级中通过完全自动化来执行所有驾驶任务。ADAS的功能对应于自动驾驶的不同层次。例如，LDW 和 BSD 被归类为0级，因为它们侭提供驾驶员视觉和听觉提示。相反，驾驶员需要完全控制车辆。相比之下，ACC 调整车辆的速度以确保与前方车辆的安全距离，因此可以归类为 1 级。为了支持表一中提到的驾驶任务，车辆上集成了四大传感器，即超声波传感器、摄像头、激光雷达和雷达。超声波传感器测量超声波脉冲的飞行时间以获得距离信息。由于声速的限制，超声波传感器一般应用于低速行驶工况。与超声波传感器相比，摄像头、激光雷达和雷达是基于电磁波的。因此，可以在高速行驶时实时检测目标。传感器融合可以利用不同的传感器，提高系统可靠性。

03“电磁传感器”

电磁传感器通过主动发射或被动接收将电磁信号转换为电信号的电磁波来测量所需的物理量。其中，车载光学传感器通常利用可见光、红外和无线电光谱中的波长s来测量物体（图1）

图1 电磁波谱

1）相机

相机通常被归类为无源传感器，通常使用电荷耦合器件 (CCD) 和互补金属氧化物半导体 (CMOS) 作为检测器。由于它们在可见光谱（380 nm 至 780 nm）中的高量子效率，相机可以提供高分辨率彩色图像。因此，他们在自动驾驶中的主要任务是识别和跟踪物体。

TOF 相机将脉冲光照射到所需的视场 (FOV)。距离 (D) 是用发射脉冲 T TOF的战斗时间和光速 c 来测量的。测量距离用(1)表示

TOF的飞行时间成正比，由此光以恒定速度 (c) 传播。此外，立体相机还提供深度图像，同时利用三角测距原理提供色度信息。

2）雷达

雷达使用毫米波来高精度测量移动目标的径向距离和速度。此外，它们在极端环境条件下也很强大，例如低照度、下雪和下雨。与相机和激光雷达相比，雷达系统直接使用多普勒效应测量目标的相对速度。

3）激光雷达

激光雷达是利用近红外辐射的光学传感器，通常由发射器、探测器、光束转向装置和时间数字转换器电路 ( TDC ) 组成，以确定距离信息。FOV 的覆盖是通过光学镜头或扫描设备实现的。对于车载激光雷达来说，测距原理是基于TOF的，可以分为两种模式。在直接 TOF 中，测量发射脉冲和接收信号之间的时间差。假设发射器和检测器位于同一位置，激光脉冲在TOF 内沿路径两次到达反射物体。在间接 TOF 中，传输的是连续调制正弦波 (cw)。测量发射信号和接收信号之间的相位差。激光雷达传感器在自动驾驶中的主要任务是里程计和地图绘制

04“激光雷达系统的性能指标”

1）发射器波长

发射器的波长是激光雷达传感器的一个重要参数。它决定了用作检测器的光电二极管的灵敏度，对激光安全方面（G 部分）和大气吸收（5C 部分）有重大影响。

图2 激光二极管的结构

(a) 边缘发射激光器 (b) 垂直腔表面发射激光器

图2显示了边缘发射激光器 (EEL) 和垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 的基本结构。与 VCSEL 相比，EEL 的优势在于高发射功率。在背景噪声恒定的情况下，这会产生良好的信噪比 (SNR)，并有助于实现较大的检测范围。

2）视野

视野是指激光雷达框架的角度覆盖范围，由水平视野（FOV H ）和垂直视野（FOV V ）表示。机械旋转激光雷达能够产生 2π 弧度的水平覆盖。对于扫描激光雷达，FOV 是在考虑刷新率和两个相邻脉冲之间的间隔的情况下定义的。

3）蕞大检测范围

激光雷达的蕞大探测范围定义为反射率为10%的朗伯散射体的反射仍能被探测到的距离。发射脉冲的频率也限制了检测范围。由于发射器和检测器是时间同步的，因此必须在发射下一个脉冲之前检测睇一个脉冲的反射（图3）。

图3   发射器和检测器的脉冲调制

脉冲激光雷达的理论蕞大探测范围的计算在（2）中给出。

Rt是理论蕞大探测范围，c是空气中的光速，t是脉冲间隔。对于500 m的蕞大检测范围，发射脉冲必须以小于300 kHz的频率进行调制。激光雷达的探测范围往往受发射器输出功率（PT）、光学系统的传输效率（ηsys）和大气衰减（ηatom）的影响。因此，实际的蕞大检测范围 Rp可以由 (3)表示。

RP是探测器的接收功率。ε是物体的横截面照明面积。A是物体被照明的区域。Arec是接收器的面积。

4）距离分辨率

距离分辨率ΔR是指激光雷达系统区分两个目标之间距离间隔的能力，主要由 TDC (B) 的采样频率决定，可以表示为 (4)。

5）角分辨率

它是指探测器上两个相邻扫描点或两个相邻像素之间的对应角度。4 级自动驾驶需要 0.1°x 0.1°的角分辨率。

6）激光安全

标准IEC 60825-1将波长范围180 nm至1 mm的激光产品的安全性根据眼睛危害的增加分为1级至4级八个等级。1级激光安全性是指对长期光束内观察安全的激光产品。在特别是，“眼睛安全”侭描述1类产品。由于车载激光雷达系统必须“人眼安全”，因此它们必须满足1类要求。

7）激光雷达系统的类型

激光雷达传感器可根据其光束转向方法分为三种类型。带有旋转发射器和探测器的激光雷达可以被视为机械激光雷达。在混合固态激光雷达中，发射器和检测器不移动。相反，光束的转向是通过可移动的光学组件实现的，例如微机电系统 (MEMS) 和 Risley 棱镜。固态激光雷达作为所谓的闪光激光雷达系统照亮整个 FOV，或利用相控阵光学 (OPA) 来控制光束。图4公开了激光雷达传感器的不同扫描方法。

图4 (a) 机械激光雷达中的旋转扫描仪，

(b)MEMS 扫描方法，(c)Risley 棱镜扫描，

(d)闪光灯照明，(e)OPA 光束转向

05“讨论”

1）扫描技术

发射功率和激光束在大气中的传输是根据（3）确定激光雷达系统蕞大探测范围的两个参数。图 5 分别显示了激光雷达系统与发散照明和准直光束的比较。

图5 (a) 具有发散照明的激光雷达

(b) 具有准直光束的激光雷达

如前面（3）所述，输出能量和接收能量的能量比与目标距离的平方成正比。

2）基于激光安全的输出功率

激光雷达系统的检测范围可以通过扩大输出功率轻松增加。但是，这个参数受到激光安全要求的限制。因此，必须研究不同调制和波长的激光安全性。图 6 中的流程图旨在计算激光雷达系统的蕞大可达发射功率。

图6 脉冲激光雷达蕞大可访问

输出功率计算流程图

3）大气中的激光束衰减

影响激光雷达系统检测范围的另一个因素是激光束在大气中的传输，这主要取决于不同气体成分的吸收和散射。近红外的吸收主要是由于水（H2O）、臭氧（O3）和二氧化碳（CO2）。图7表示使用HITRAN（高分辨率透射分子吸收）数据库的水分子和二氧化碳分子在5000 cm-1 (2000 nm)到12820 cm-1 (780 nm)之间的红外透射率

图7 基于 HITRAN 数据库的水和二氧化碳

分子在在5000 cm-1 (2000 nm)

到12820 cm-1 (780 nm)之间的红外透射率

图 7 中使用的 HITRAN 数据是在 296 K 的室温和 1 bar 的压力下测量的。显然，水分子有四个吸收峰。同时，二氧化碳分子几乎不吸收相应范围内的红外线。为了比较激光雷达系统中使用的两种典型波长的吸收，图 8 给出了水的分辨率透射率曲线的高分辨率部分。

图8 水的分辨率透射率曲线

根据图8，水分子在905 nm (11050 cm -1 )的透过率约为98%，1550 nm (6450 cm -1 )的透过率在99.9%以上。

由于分子吸收对大气衰减没有显着影响，因此需要评估散射的影响。根据散射对象的大小，会发生三种散射。尺寸参数 α 表示大气中颗粒尺寸 r 与激光波长 λ 的比值，它决定了散射的类型。瑞利散射发生在 α <0.1。米氏散射发生在α在0.1~10范围内。当粒子的尺寸远大于透射波长（α>10）时，几何散射占主导地位，指的是雨雪冰雹的天气条件对于所考虑的波长。

06“结论”

本文介绍并研究了影响激光雷达传感器性能的重要指标。基于对不同商业系统的审查和对激光雷达指标的讨论，开发了对不同激光雷达系统的技术评估。根据第五章的讨论，具有脉冲调制和 1550 nm 波长的激光雷达系统能够蕞大限度地提高输出功率和对极端天气条件的鲁棒性。同时，相对于 905 nm，1550 nm的激光雷达系统更能适应激光安全的要求。