车载激光雷达基本工作原理及构成

lichengwan

一、原理及组成

1.1.基本原理

激光雷达（Light Detection And Ranging，LiDAR）技术是通过对激光束在被测物与传感器之间的传播距离进行测定，从而对被测物表面的反射能量、反射波谱、频率以及相位等信息进行分析，进而实现对被测物的感知，以此对被测物的位置、状态、特征等信息实现精准识别。其主要工作过程是利用发射模块通过激光发射器生成脉冲激光束，并通过扫描模块的角度调节对此激光束进行对外发射，当此激光信号到达被测物表面时，会被反射回来，此时雷达系统的接收模块会对此反射信号进行捕获，并将其输送至信号处理模块进行A/D转换，接着系统会对数字信号进行分析并提取其中关键的测量信息，通过此测量信息实现对被测物的距离、方向、高度等信息的识别，以此来完成对周围环境的感知。


图1 激光雷达基本工作原理
1.2.组成

1.2.1.发射模块

如上原理所述，实现激光雷达系统有效工作的主要构成有发射模块、扫描模块、接收模块以及信号处理模块，其中：

发射模块是激光雷达的光源，其主要包括激光器和发射光学系统。此系统中激光器又是产生脉冲激光的核心光源，其通过发出少量脉冲光束后，再通过能源激励物质在发射光学系统中完成对原始光束的增加，以实现最终脉冲激光束的诞生。

由于能源激励物质的存在，因此根据其使用材质的不同，当下可将其所构成的激光器分为半导体激光器和光纤激光器。其中，半导体激光器采用砷化镓等半导体材为能源激励物质，通过此类物质的应用可让激光器发出波长为905nm的激光，而光纤激光器是通过应用掺杂稀土元素的光纤介质为能源激励物质，此物质的使用可以让激光器发出波长为1550nm的激光。当下鉴于两者的应用成本，在车载应用中，以波长为905nm的半导体激光器为主要应用。


图2 发射模块的组成
【注：对于部分用户所关注的车载激光雷达在普及后对于人眼或相关设备是否存在损害的问题，我们首先要清楚，一种能量想要对外物造成损害，其关键是此能量的大小以及是否可被外物吸收。车载激光雷达所发射的激光波长在人眼的可见波长范围390nm-780nm之外，这个波长的激光不被人眼所见，也不会被吸收，且不易穿透人眼的前部结构而到达视网膜。
同时，根据国际电工委员会（IEC）标准，车载激光雷达所发出的激光能量处于1类激光范畴（功率小于0.5mW），此类激光能量在‘任何条件下都不会对眼睛及皮肤造成光学辐射危害’。就如手机的应用那般，激光器的存在并不会对身体及外物造成损害，所以，并无需担心此问题的发生。

图3 1类激光产品1.2.2.扫描模块激光雷达扫描模块的构成差异是区分激光雷达类型的核心，当下，根据扫描模块是否存在机械转动部件，可将其分为机械式、半固态式以及固态式三类。其中，机械式激光雷达是通过电机带动收/发阵列的整体旋转，以此实现对水平360°视场范围的扫描，具有扫描速度快、精度高等特点。但由于机械结构下想让其识别的物体具有高准确度，便需要经常对其进行精准的对准以及校验，这让该类产品具有了较高的使用维护成本。
半固态式激光雷达取消了机械旋转部件，代之以多方向的多光源阵列，可通过对光源阵列的控制，实现对不同方向的快速扫描。由于不再使用机械旋转部件，因此更容易实现产品小型化，对于车载应用而言，也更容易实现外观上的融合。但由于其扫描特性的原因，为使该产品具有准确的识别结果，在应用中需要求软件具备更为复杂的算法以及更高的数据处理能力。

固态式激光雷达利用光学相控阵等光学技术，摆脱了传统激光雷达中的扫描模组（即相对于其他类型激光雷达而言，不再有扫描模块），同时具有更高质量的输出激光束，能够实时捕捉和处理光点数据，进一步提高了感知精度。但在当下，固态式激光雷达由于其工作原理所限，探测距离较之传统要更短，同时视场角无法做到360°全覆盖，在应用中需多雷达融合应用，方能解决视野盲区问题。


图4 扫描模块的作用
1.2.3.接收模块

接收模块是激光雷达接收反射信号的关键，其核心组件为光电探测器，此组件的性能高低直接影响着激光雷达的测量距离、帧率和分辨率，其组成可包括雪崩光电二极管（APD）、单光子雪崩二极管（SPAD）和硅光电倍增管（SiPM）。其中APD凭借其较高的灵敏度，使其适用于处理多光子事件，更适合中等距离的测量。SPAD对单光子极为灵敏，更适用于高分辨率和长距离的测量。SiPM是由多个SPAD单元组成的阵列，在信号提取过程中可按照阈值完成对信号的提取，此微型器件的应用可提升激光雷达在极端环境下的运行稳定性。


图5 接收模块的功能
1.2.4.信号处理模块

在激光雷达中，信号处理模块是实现物理世界的光信号到数字世界的数字信号转换的关键桥梁，其主要是通过由放大器、滤波器、模数转换器和数字信号处理器等芯片构成的电路，以此来实现对模拟信号到数字信号的转换，接着由数字信号处理器执行相关算法以提高信噪比，并精确计算被测物的目标位置等信息。

综上所述，总结激光雷达的构成及相关功能如下图示意：


图6 激光雷达架构示意