打造一颗激光雷达需要几步?| 行家说

汽车之心 2020/3/16 13:05:21 盖世大V说

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想完成一颗激光雷达需要分几步?

1. 搭建一套体积足够小的脉冲式激光测距系统;

2. 重复搭建测距系统,并根据特定规则将它们进行空间排列;

3. 增加一套电机带动测距系统进行 360°旋转;

4. 增加一套控制和通信模块,确保系统稳定工作并与外部实现通信。

完成!

瞧,看上去打造激光雷达 Demo 并非难事,至少比把大象装冰箱容易得多。

但以上只为陈述一个流畅的逻辑,就像汽车并非简单四个轮子加一套沙发,激光雷达的设计和开发也并非易事。

1.搭建一套体积足够小的脉冲激光测距系统

激光雷达基本原理可以简单等同于脉冲式激光测距仪原理。

它基于一个完美的公式,L=0.5*CT,我们称它为 TOF(Time of flight),飞行时间法。

典型测距仪要通过一个发射单元,一个接收单元和一个计算单元来实现。

发射单元输出的脉冲经目标物体反射后又被接收单元接收,计算单元同时记录脉冲往返的渡越时间 T,计算光速 C 和渡越时间 T 的乘积的一半,就是测距仪和目标物体之间的距离 L。

这种测距仪的一种典型应用出现在军事行动上(民用的测绘领域也常见)。

采用大功率的 1064nm 激光照射器,单脉冲能量达 100mJ,峰值功率可达兆瓦,配合极小的激光发散角,实现对 10Km 范围内的军事目标进行测距和指引。

著名的 Hellfire 导弹就是依靠这套测距和照射系统实现精确的激光末制导打击。从上世纪 80 年代服役至今,依然是美军战术武器上的优选。

当然,把军用激光雷达测距仪拿来民用是不合理的。

首先,1064nm 激光器并非人眼安全波段。

另外,单脉冲能量过高;最后军用测距仪的体积较大,成本昂贵。

但相同的原理,我们通过改造就可以将其合理利用。

有这样一种波长的激光,它属于人眼安全波段,可以通过体积极小半导体激光器泵浦输出纳秒级别的窄脉宽,同时具备足够好的能效比——这就是 903nm。

如今 903nm 的半导体激光器可以将裸 Die (螺片封装)通过金丝键合工艺封装在 PCB 上,其尺寸只有毫米级,同时保持足够好的性能和稳定性。

当然,单纯的 903nm 半导体激光器是无法点亮自己的,还需要一套完备的电路来驱动它。

目前常见的机械旋转式雷达都采用了驱动电路板的形式,相比几个毫米的激光器,驱动电路则大得多。

因此,将驱动电路打包 ASIC 化是未来的趋势,即缩小了体积,又优化了稳定性和工艺。

至此,我们大致搞定了发射端。接下来,我们还需要一个接收器来配合。

常用的光电探测器有 PIN,APD,CCD,CMOS 等,当然还有 SPAD,MPPC 等等听上去更高端的选项。

但选择探测器的准则要满足,在 903nm 波段有足够好的带宽、响应度跟信噪比,足够小的尺寸和稳定性,以及足够高的性价比。

首先是带宽的需求,由于激光脉冲的宽度在纳秒级别,其信号带宽在百兆以上,因此探测器也需要具备足够的带宽,从而带来足够的响应速度。

如果带宽太窄,则信号会失真,导致接收端输出的上升沿缓慢,从而为后端的信号处理带来麻烦。

响应度需求,这个容易理解。

如果探测器响应度不够,则接收端的信号强度极弱,由此会给后级放大电路带来负担。

你可能会说,我们可以提高后级运算放大电路的能力来弥补,但这就涉及到信噪比的问题。

信噪比是激光雷达系统中非常重要的设计指标,对探测距离,测距精度都产生重大影响。

理想状态下,我们期望噪声平躺在地上,永远不要露面,但这不现实。

对于 903nm 波长的激光雷达,有一个重要的噪声来源不可避免。

阳光中包含丰富的 903nm 成分,这些成分又包含非常丰富的频率分量。而 LiDAR 光学系统的滤光片是允许 903nm 通过的。

也就是说,雷达的光学接收系统,会将自己发射的 903nm 脉冲,和阳光中的 903nm 成分,一视同仁。

这些混杂了非常多频率的 903nm 成分,会被探测器接收并放大成噪声。

这个噪声同时会被后级运放逐级放大,最后就成为生长在有效 pulse 上的杂草,这些杂草会给系统的 TOF 计算引入麻烦。而后级运放的放大倍数越高,杂草生长越疯狂。

这也就是为什么不能无节制的提高运放能力。

说回到探测器的信噪比,光电探测器本身也会引入噪声到后级电路当中。所以理想的探测电路设计,为了尽量确保源头的干净,应该选择信噪比足够高的探测器。

尺寸,稳定性和性价比,这就看供应商的能力了。

随着激光雷达行业的发展,供应商也是火力全开,在上游行业取得了不小的进步。

根据上述探讨,满足现实需求的是硅基的 APD,雪崩光电二极管。其响应特性曲线美妙的在 900 附近留下了极大值点,刚好和 903nm 半导体激光器牵手一段姻缘。

如今同样裸 Die 封装的 APD 尺寸可以做到毫米级别,知名供应商如 First sensor,滨松(HAMAMATSU)的探测器都可以敏感数百米的 903nm 激光脉冲,配合放大电路能够实现高信噪比响应。

你可能会问,如今 SPAD,MPPC 这种具备史诗级响应度的单光子探测器用在雷达上,岂不是可以测出天际?

盖革模式探测能力很强,毋庸置疑。

但激光雷达是高动态范围的全天候设备,需要覆盖弱背景光的夜晚和强背景光的正午,阳光中的近红外成分非常容易让单光子探测器饱和,这也就是单光子探测通常是用在测星领域的原因。

当然,如果在动态范围上能有所突破,这种探测器依然不失为一种选择。

至此我们步入了激光雷达设计初级阶段,距离小康还很遥远。

搞定了激光发射单元和接收单元,配合合适的逻辑控制和计时单元,就可以实现测距功能。

2.重复搭建测距系统

一对收发系统,在目标物体上只能呈现一个点的距离信息,如果想获得更多信息量怎么办?

我们可以利用重复搭建的方式,将多对相同且独立激光收发系统,通过特定的规则实现空间排列,就可以在目标上呈现多个点的距离信息。

简单以线性排列为例(当然,实际的激光雷达通常不会粗糙的线性排列,这里面有多方面原因,节省空间是其中之一):

至此,我们通过这套收发模组,可以在目标物体上获取线状的距离信息。

3.增加一套电机带动测距系统进行 360°旋转

为了获得更多的信息量,贪婪的工程师想到了新的主意:

加装一套电机,带动收发模组旋转,随着电机旋转,收发模组扫描周围环境,反馈所接触的第一道障碍物的距离信息,由此构成了我们所见到的漂亮点云。

不得不说这是一个务实,且推动了一项产业的绝佳想法,同时所带来的专利纠纷也赚足了眼球。

但这个电机也是如今让机械旋转式激光雷达饱受诟病的所在——车企纷纷对它的稳定性和寿命提出质疑。

这种质疑合情合理,虽然汽车上也存在很多电机装置,电机本身也符合车规等级要求,但激光雷达有所不同:

其一,雷达所搭载收发模组作为负载相对较重,会对电机的寿命造成影响;

其二,激光雷达是精密的光学设备,车载环境下大温度范围和复杂震动难免引起结构的配重失衡,机械结构的微小变动会导致光学系统失衡,从而在探测效果上打折扣。

所以才会有诸多优秀的公司涌入了固态雷达市场。

当然,这个市场目前正处于技术爬坡阶段,篇幅关系暂不讨论。

4.增加一套控制和通信模块,

确保系统稳定工作并与外部实现通信

打好上述基础,我们仍然需要一些收尾工作确保这颗雷达工作正常。

首先,激光收发模组需要精确的逻辑时序控制,计算 TOF 时间需要精确到皮秒级别的计时模块,这些工作需要一个逻辑控制核心完成。

其次,需要一个电机驱动单元确保电机工作正常,以及无线供电或者滑环单元实现能量传递(滑环存在寿命问题)。

另外,为了实现外部控制与数据传输,还需要通信模块实现信息交互。以及,以上所有单元都需要的供电模块。

至此,我们大体走完了激光雷达的开发流程。

打开上位机,就可以欣赏漂亮的点云啦!

不得不说,机械式激光雷达的热度已经在下降了,更多的技术、资金和目光都聚焦在固态激光雷达这片蓝海上。

P.S. 后续我们可以聊聊固态激光雷达。

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来源:盖世汽车大V说 作者:汽车之心 *本文由盖世汽车大V说专栏作者撰写发布。专栏作者为本文的真实合法性和中立性负责,观点仅代表个人,不代表盖世汽车。如需转载请联系专栏作者。

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