一文了解自動駕駛車輛激光雷達的部件功能

據外媒報道，自動駕駛車輛配置的多款攝像頭，旨在用該設備探查道路上的障礙物並繪製車輛周邊環境。在各類感測器中，在功能方面，激光雷達感測器與人眼最為接近，其光探測和測距系統（detection and ranging system）與雷達類似，但其採用了光波替代了無線電波（radio waves）。

激光雷達系統利用激光脈衝信號「照亮（illuminate）」目標區域，並計算反射信號返回接收器的用時。該類系統由光源、光電探測器、數據處理電子器件及運動控制設備。

自動駕駛車輛大體採用了兩類激光雷達設備，其分類依據為掃描車輛周邊環境時所採用的方式，其中：1、3D閃光式激光雷達（3D flash LiDAR）由寬視角源及廣視角光學件構成，旨在聚焦探查設備一次曝光（one exposure）上的所有反射光。2、掃描式激光雷達系統可向各個方向發射激光，逐個探查迴響（echoes）以便繪製車輛周邊環境。

激光源（laser source）對激光雷達性能將起到最關鍵的作用，激光束的品質及發散（divergence）在高側向解析度（high lateral resolution）方面將起到重要作用。較短的激光脈衝持續時間（laser pulse duration）和低時間抖動（low timing jitter）可確保良好的縱向精度（longitudinal accuracy）。對獲取遠程搜索（long-range detection），脈衝能量（Pulse energy）是一項重要參數。此外，高脈衝重複頻率（high pulse repetition rates）可提升掃描速度，從而實現較高的數據輸出。

600 nm-1000 nm的波長通常被用於非科研應用。人眼對該波段的波長較為敏感。激光雷達系統的運行波長為905 nm，限制其探測範圍。而1.5 um紅外激光器可作為替代品，用於探查遠距離的固體及障礙物，因為該類光不會被人眼吸收，其實用於高性能應用。此外，該波長的光在大氣環境下通常呈透明的，可被用於高效能的探測器。

脈衝持續時間是實現高性能的另一關鍵性因素。許多短序列脈衝持續時間只有數皮秒（picoseconds），有助於實現毫米級到厘米級縱向解析度（longitudinal resolution）。

然而，該脈衝較短，容易引起激光光譜（laser spectrum）的增寬，從而降低信號雜訊比（signal-to-noise ratio，SNR）。儘管持續時間超過1納秒（nanosecond）的脈衝可消除雜訊，但同樣會降低系統的解析度。為在高縱向精度與良好的SNR中取得平衡，當前脈衝持續時間為數百皮秒。

激光器二極體與光纖激光器（Laser-diodes and fiber-lasers）通常被用於激光雷達系統中。激光器二極體光源通常採用縱向堆棧，這意味著將新增一個堆棧層，使得激光能量（laser powers）超過1級視力安全激光器的激光能量。

若用垂直腔（vertical-cavity）面發射激光器（surface-emitting laser），可降低總輸出功率，並降低該系統功能運轉的最大距離。而光線激光器所提供的脈衝重複頻率：當功率等級為10 W時，脈衝重複速率為5 kHz。當功率等級為300 W時，脈衝重複速率為250 kHz。然而，相較於脈衝二極體系統（pulsed-diode systems），該類系統較為昂貴。

激光雷達務必含有視力安全波長，且能夠在黑暗中探查到100米外的目標物，探查精度為10厘米，操作溫度在零下40攝氏度到85攝氏度。（本文圖片選自azom.com）

本文來源：蓋世汽車

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