主流激光雷达分类及原理


主流激光雷达分类及原理  


本文整理:美团小姜

版权所属:美团无人配送



主流激光雷达的分类及原理



激光雷达分类多种多样

比如按发射波形可分为脉冲型和连续型

按探测方式可分为直接探测和相干探测

按线束可分为单线和多线等

本文将按扫描方式将雷达进行分类介绍


主流激光雷达分类及原理

机械式激光雷达

1.1 机械旋转式激光雷达

机械旋转式Lidar的发射和接收模块存在宏观意义上的转动。在竖直方向上排布多组激光线束,发射模块以一定频率发射激光线,通过不断旋转发射头实现动态扫描。

机械旋转Lidar分立的收发组件导致生产过程要人工光路对准,费时费力,可量产性差。目前有的机械旋转Lidar厂商在走芯片化的路线,将多线激光发射模组集成到一片芯片,提高生产效率和量产性,降低成本,减小旋转部件的大小和体积,使其更易过车规。


主流激光雷达分类及原理

机械旋转式激光雷达

(图源: Velodyne官网)


优点:

  • 技术成熟

  • 扫描速度快

  • 360度扫描

缺点:

  • 可量产性差:光路调试、装配复杂,生产效率低

  • 价格贵:靠增加收发模块的数量实现高线束,元器件成本高,主机厂难以接受

  • 难过车规:旋转部件体积/重量庞大,难以满足车规的严苛要求

  • 造型不易于集成到车体


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混合固态激光雷达


混合固态激光雷达用“微动”器件来代替宏观机械式扫描器,在微观尺度上实现雷达发射端的激光扫描。旋转幅度和体积的减小,可有效提高系统可靠性,降低成本。


2.1 MEMS阵镜激光雷达

MEMS振镜是一种硅基半导体元器件,属于固态电子元件;它是在硅基芯片上集成了体积十分精巧的微振镜,其核心结构是尺寸很小的悬臂梁——反射镜悬浮在前后左右各一对扭杆之间以一定谐波频率振荡,由旋转的微振镜来反射激光器的光线,从而实现扫描。硅基MEMS微振镜可控性好,可实现快速扫描,其等效线束能高达一至两百线,因此,要同样的点云密度时,硅基MEMS Lidar的激光发射器数量比机械式旋转Lidar少很多,体积小很多,系统可靠性高很多。


优点:

  • MEMS微振镜摆脱了笨重的马达、多发射/接收模组等机械运动装置,毫米级尺寸的微振镜大大减少了激光雷达的尺寸,提高了稳定性

  • MEMS微振镜可减少激光发射器和探测器数量,极大地降低成本

缺点:

  • 有限的光学口径和扫描角度限制了Lidar的测距能力和FOV,大视场角需要多子视场拼接,这对点云拼接算法和点云稳定度要求都较高

  • 抗冲击可靠性存疑


主要存在的问题:

(1)镜尺寸问题:

远距离探测需要较大的振镜,不但价格贵,对快轴/慢轴负担大,材质的耐久疲劳度存在风险,难以满足车规的DV、PV的可靠性、稳定性、冲击、跌落测试要求。

(2)悬臂梁:

硅基MEMS的悬臂梁结构实际非常脆弱,快慢轴同时对微振镜进行反向扭动,外界的振动或冲击极易直接致其断裂。


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故障的悬臂梁

(图源:无人驾驶网)


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MEMS激光雷达点云数据

(图源:RoboSense)

2.2 旋转扫描镜激光雷达

作为首款量产的L3级别自动驾驶的乘用车——奥迪A8上搭载的激光雷达就是旋转扫描镜激光雷达。与机械旋转激光雷达不同的是,其激光发射模块和接收模块是不动的,只有扫描镜在做机械旋转。激光单元发出激光至旋转扫描镜(Mirror),被偏转向前发射(扫描角度145°),被物体反射的光经光学系统被左下方的探测器接收。



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Scala内部图

(图源:搜狐)


优点:

  • 可车规,寿命长,可靠度高

缺点:

  • 扫描线数少,扫描角度不能到360度


2.3 楔形棱镜旋转

收发模块的PLD(Pulsed Laser Diode)发射出激光,通过反射镜和凸透镜变成平行光,扫描模块的两个旋转的棱镜改变光路,使激光从某个角度发射出去。激光打到物体上,反射后从原光路回来,被APD接收。


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Livox Lidar的工作原理示意图

(图源:Livox官网)


与MEMS Lidar相比,它可以做到很大的通光孔径,距离也会测得较远。与机械旋转Lidar相比,它极大地减少了激光发射和接收的线数,降低了对焦与标定的复杂度,大幅提升生产效率,降低成本。


优点:

  • 非重复扫描,解决了机械式激光雷达的线式扫描导致漏检物体的问题

  • 可实现随着扫描时间增加,达到近100%的视场覆盖率

  • 没有电子元器件的旋转磨损,可靠性更高,符合车规

缺点:

  • 单个雷达的FOV较小,视场覆盖率取决于积分时间

  • 独特的扫描方式使其点云的分布不同于传统机械旋转Lidar,需要算法适配



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Livox的点云分布图

(图源:Livox官网)


2.4 二维扫描振镜激光雷达

这类激光雷达的核心元件是两个扫描器——多边形棱镜和垂直扫描振镜,分别负责水平和垂直方向上的扫描。特点是扫描速度快,精度高。比如:一个四面多边形,仅移动八条激光器光束(相当于传统的8线激光雷达),以5000rpm速度扫描,垂直分辨率为2667条/秒,120度水平扫描,在10Hz非隔行扫描下,垂直分辨率达267线。


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Luminar激光雷达内部解剖图

(图源:Luminar)


优点:

  • 转速越高,扫描精度越高

  • 可以控制扫描区域,提高关键区域的扫描密度

  • 多边形可提供超宽FOV,一般可做到水平120度。MEMS Lidar一般不超过80度

  • 通光孔径大,信噪比和有效距离要远高于MEMS Lidar

  • 价格低廉,MEMS振镜贵的要上千美元,多边形激光扫描已经非常成熟,价格只要几十美元

  • 激光雷达间抗干扰性强

缺点:

  • 与MEMS技术比,其缺点是功耗高,有电机转动部件


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纯固态激光雷达

3.1 Flash激光雷达

Flash激光雷达采用类似Camera的工作模式,但感光元件与普通相机不同,每个像素点可记录光子飞行时间。由于物体具有三维空间属性,照射到物体不同部位的光具有不同的飞行时间,被焦平面探测器阵列探测,输出为具有深度信息的“三维”图像。根据激光光源的不同,Flash 激光雷达可以分为脉冲式和连续式,脉冲式可实现远距离探测(100米以上),连续式主要用于近距离探测(数十米)。


Flash激光雷达的优势在于能够快速记录整个场景,避免了扫描过程中目标或Lidar自身运动带来的误差。其缺点是探测距离近。


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Flash Lidar的工作示意图

(图源:LeddarTech官网)


发射模组:Flash激光雷达采用的是垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL),比其他激光器更小、更轻、更耐用、更快、更易于制造,并且功率效率更高。


接收模组:Flash激光雷达的性能主要取决于焦平面探测器阵列的灵敏度。焦平面探测器阵列可使用PIN型光电探测器,在探测器前端加上透镜单元并采用高性能读出电路,可实现短距离探测。对于远距离探测需求,需要使用到雪崩型光电探测器,其探测的灵敏度高,可实现单光子探测,基于APD的面阵探测器具有远距离单幅成像、易于小型化等优点。


优点:

  • 一次性实现全局成像来完成探测,无需考虑运动补偿

  • 无扫描器件,成像速度快

  • 集成度高,体积小

  • 芯片级工艺,适合量产

  • 全固态优势,易过车规

缺点:

  • 激光功率受限,探测距离近

  • 抗干扰能力差

  • 角分辨率低


3.2 光学相控阵激光雷达(OPA)

很多军用Lidar使用OPA(Optical Phased Array)光学相控阵技术。OPA运用相干原理,采用多个光源组成阵列,通过调节发射阵列中每个发射单元的相位差,来控制输出的激光束的方向。OPA激光雷达完全是由电信号控制扫描方向,能够动态地调节扫描角度范围,对目标区域进行全局扫描或者某一区域的局部精细化扫描,一个激光雷达就可能覆盖近/中/远距离的目标探测。


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Quanergy固态激光雷达

(图源:Quanergy官方视频截图)


优点:

  • 纯固态Lidar,体积小,易于车规

  • 扫描速度快(一般可达到MHz量级以上)

  • 精度高(可以做到μrad量级以上)

  • 可控性好(可以在感兴趣的目标区域进行高密度扫描)

缺点:

  • 易形成旁瓣,影响光束作用距离和角分辨率,使激光能量被分散

  • 加工难度高:光学相控阵要求阵列单元尺寸必须不大于半个波长

  • 探测距离很难做到很远


3.3 调频连续波FMCW激光雷达

以三角波调频连续波为例来介绍其测距/测速原理。蓝色为发射信号频率,红色为接收信号频率,发射的激光束被反复调制,信号频率不断变化。激光束击中障碍物被反射,反射会影响光的频率,当反射光返回到检测器,与发射时的频率相比,就能测量两种频率之间的差值,与距离成比例,从而计算出物体的位置信息。FMCW的反射光频率会根据前方移动物体的速度而改变,结合多普勒效应,即可计算出目标的速度。


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FMCW原理²


优点:

  • 每个像素都有多普勒信息,含速度信息

  • 解决Lidar间串扰问题

  • 不受环境光影响,探测灵敏度高

缺点:

  • 不能探测切向运动目标


FMCW与常见的TOF测距原理的对比:


TOF
优点

系统简单,成本低

平均功率低

测距精度高

能探测出切向运动的目标


缺点

环境光的抗干扰性比FMCW稍差

波段接近人眼可响应的范围



FMCW
优点

环境光抗干扰能力强

1550nm波长对人眼安全更有利

除距离和intensity信息外还能得到速度信息


缺点

系统复杂度高,成本高

平均能耗高

不能探测出切向运动的目标(比如横穿马路的人/车)




主流激光雷达分类及原理

发展趋势


激光雷达是实现无人驾驶的重要传感器部件之一。评价一款激光雷达产品,要从性能、技术成熟度、成本、“车规”化等多个维度去衡量。

机械式激光雷达:目前是自动驾驶公司的主流方案,技术成熟可靠,具备360度视场角,高分辨率等性能优势,但限于工艺等因素难以量产。部分机械雷达厂商正在通过芯片化的路线提高生产效率,降低成本,并使其符合车规。考虑到固态雷达的迭代过程,短期内机械式激光雷达仍将是自动驾驶的主流选择。

MEMS等半固态激光雷达:目前技术相对成熟,能兼顾成本、性能、车规等要求,但抗冲击可靠性存疑。长远来看,仅属于过渡产品。

全固态激光雷达:长远看,激光雷达的主流趋势会转向全固态。Flash技术领先,但受限于元器件性能,无法实现远距离探测;OPA具有一定的技术壁垒;FMCW具有探测距离远,灵敏度高,抗干扰能力高,成本低,功耗低等特点,但技术门槛高,对系统集成,信号处理要求很高,目前尚未量产。

总的看来,激光雷达固态化会持续推进,技术仍然有很长的探索期。


参考文献:

1.Sandborn, P. A. M. (2017). FMCW Lidar: Scaling to the Chip-Level and Improving Phase-Noise-Limited Performance. eScholarship, University of California.

2.SENSING-AIOT.(2021). LiDAR: FMCW vs. ToF. http://4da.tech/?p=272

3.AEye, Inc.(2021)Time of Flight vs. FMCW LiDAR Side-by-Side Comparison FMCW sToF_21_0113.

4.Liu, Z., Zhang, F., & Hong, X. (2021). Low-cost retina-like robotic lidars based on incommensurable scanning. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics.

4.http://www.wrdrive.com/news/show.php?itemid=5301

5.https://www.novuslight.com/fmcw-the-future-of-lidar_N9691.html

6.https://www.sohu.com/a/345121853_467791

7.https://velodynelidar.com/

8.https://www.hesaitech.com/zh

9.https://www.robosense.ai/

10.https://www.livoxtech.com/

11.https://innoviz.tech/

12.https://zhuanlan.zhihu.com/p/344876823


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原文始发于微信公众号(美团无人配送):主流激光雷达分类及原理

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作者 ab