自动驾驶与雷达(三) 激光雷达
姓名：张波； 学号：22021211233； 学院：电子工程学院
【嵌牛导读】激光雷达，也称光学雷达（LIght Detection And Ranging）是激光探测与测距系统的简称，它通过测定传感器发射器与目标物体之间的传播距离，分析目标物体表面的反射能量大小、反射波谱的幅度、频率和相位等信息，从而呈现出目标物精确的三维结构信息。目前，随着自动驾驶的大火，价格昂贵的Lidar逐渐出现在人们的眼前。
【嵌牛鼻子】LIDRA 结构
【嵌牛提问】你觉得未来激光雷达的价格会逐渐下降到多少，激光雷达的未来市场是什么？
自上世纪60年代激光被发明不久，激光雷达就大规模发展起来。目前激光雷达厂商主要使用波长为 905nm 和 1550nm 的激光发射器，波长为 1550nm 的光线不容易在人眼液体中传输，这意味着采用波长为 1550nm 激光的激光雷达的功率可以相当高，而不会造成视网膜损伤。更高的功率，意味着更远的探测距离，更长的波长，意味着更容易穿透粉尘雾霾。但受制于成本原因，生产波长为1550纳米的激光雷达，要求使用昂贵的砷化镓材料。厂商更多选择使用硅材料制造接近于可见光波长的 905nm 的激光雷达，并严格限制发射器的功率，避免造成眼睛的永久性损伤。
LiDAR的结构
激光雷达主要包括激光发射、接收、扫描器、透镜天线和信号处理电路组成。激光发射部分主要有两种，一种是激光二极管，通常有硅和砷化镓两种基底材料，再有一种就是目前非常火热的垂直腔面发射（VCSEL）（比如 iPhone 上的 LiDAR），VCSEL 的优点是价格低廉，体积极小，功耗极低，缺点是有效距离比较短，需要多级放大才能达到车用的有效距离。
激光雷达主要应用了激光测距的原理，而如何制造合适的结构使得传感器能向多个方向发射激光束，如何测量激光往返的时间，这便区分出了不同的激光雷达的结构。
机械式
以 Velodyne 2007年推出了一款激光雷达为例，它把 64 个激光器垂直堆叠在一起，使整个单元每秒旋转许多次。发射系统和接收系统存在物理意义上的转动，也就是通过不断旋转发射器，将激光点变成线，并在竖直方向上排布多束激光发射器形成面，达到 3D 扫描并接收信息的目的。但由于通过复杂的机械结构实现高频准确的的转动，平均的失效时间仅 1000-3000 小时，难以达到车厂最低 13000 小时的要求。
混合固态式
利用微电子机械系统的技术驱动旋镜，反射激光束指向不同方向。混合固态激光雷达的优点包括了：数据采集速度快，分辨率高，对于温度和振动的适应性强；通过波束控制，探测点（点云）可以任意分布，例如在高速公路主要扫描前方远处，对于侧面稀疏扫描但并不完全忽略，在十字路口加强侧面扫描。而只能匀速旋转的机械式激光雷达是无法执行这种精细操作的。
光学相控阵式(OPA)
相控阵发射器由若干发射接收单元组成阵列，通过改变加载在不同单元的电压，进而改变不同单元发射光波特性，实现对每个单元光波的独立控制，通过调节从每个相控单元辐射出的光波之间的相位关系，在设定方向上产生互相加强的干涉从而实现高强度光束，而其他方向上从各个单元射出的光波彼此相消。组成相控阵的各相控单元在程序的控制下可使一束或多束高强度光束按设计指向实现空域扫描。
但光学相控阵的制造工艺难度较大，这是由于要求阵列单元尺寸必需不大于半个波长，普通目前激光雷达的任务波长均在1微米左右，这就意味着阵列单元的尺寸必需不大于500纳米。而且阵列数越多，阵列单元的尺寸越小，能量越往主瓣集中，这就对加工精度要求更高。此外，材料选择也是十分关键的要素。
泛光面阵式（FLASH）
泛光面阵式是目前全固态激光雷达中最主流的技术，其原理也就是快闪，它不像 MEMS 或 OPA 的方案会去进行扫描，而是短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光，再以高度灵敏的接收器，来完成对环境周围图像的绘制。
转自:https://zhuanlan.zhihu.com/p/139350599。
