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自动驾驶激光雷达新型探测器:近红外MPPC

#什么是激光雷达?



如今,"激光雷达"已不是什么陌生的概念了,特别是随着自动驾驶的热潮,它也备受瞩目。


激光雷达实际上是一种工作在光学波段(近红外)的雷达,最早对它的定义是LIDAR,即 Light Detection and Ranging。不过,更准确的应该是"LADAR"这种叫法,即Laser Detection and Ranging,激光探测和测距。


#激光雷达的特点



与同样在汽车中有着一定应用的微波雷达相比,工作在光学波段的激光雷达其频率比微波高2-3个数量级以上,有着更高的距离分辨率、角分辨率和速度分辨率。因此,激光雷达在测量过程中可带来距离、角度、反射强度、速度等更丰富的信息,凭借这些数据便可生成目标多维度的图像,协助我们或系统对探测目标拥有更详细的认知。


另外,由于激光波长短,能发射发散角非常小(μrad量级)的激光束,多路径效应小,即不会形成定向发射,与微波或者毫米波产生多路径效应,抗干扰能力强,可实现低空、超低空目标的探测。而激光主动探测拥有不依赖于外界光照条件或目标本身辐射的特性,只需通过探测自身发射的激光束的回波信号来获取目标信息,所以还可实现全天候的工作。不过,激光雷达易受大气条件以及工作环境的烟尘影响,要实现全天候的工作环境在目前来讲还是最困难的事情。


#激光雷达的原理



实际上,激光雷达技术的前提是激光测距技术。我们通常能见到的测距方法,从大类上可以分为:激光飞行时间(Time of Flight,TOF)法和三角测距法,TOF法中又包含了脉冲飞行时间测距和相位测距法。简单来讲,它们分别适用于长距离测距和短距离测距。



1)脉冲式飞行时间测距



脉冲式测距是激光技术最早应用于测绘领域中的一种测量方式。由于激光发散角小,激光脉冲持续时间极短,瞬时功率极大可达兆瓦以上,因而可以达到极远的测程。一般情况下不使用合作目标,而是利用被测目标对光信号的漫反射来测距。测量距离可表示为:


                                                                                           D=cΔt/2


一般在非精密测量中,光在空气中的传播速度取真空中的3×108m/s(现代物理学通过对光频率和波长的测量导出的精确值为2.99792458×108 m/s),若在精密测量中可参考空气的状态进行修正得到精确值。所以只要测得Δt的值就可以得到距离D。



脉冲激光的发射角小,能量在空间相对集中,瞬时功率大,利用这些特性可制成各种中远距离激光测距仪、激光雷达等。目前,脉冲式激光测距广泛应用在地形地貌测量、地质勘探、工程施工测量、飞行器高度测量、人造地球卫星相关测距、天体之间距离测量等遥测技术方面。


另外,脉冲测距方法也可通过与其他手段结合,更好的提高测量范围和测距精度,如:脉冲测距法与TCSPC技术相结合、脉冲啁啾调制、多频率脉冲测距等。


2)相位测距法



相位式激光测距通常适应于中短距离的测量,测量精度可达毫米、微米级,也是目前测距精度最高的一种方式,大部分中短程高精度测距仪都采用这种工作方式。


相位式测距则是将一调制信号对发射光波的光强进行调制,通过测量相位差来间接测量时间,较直接测量往返时间的处理难度降低了许多。



此时距离的计算公式可表示为:



式中信号往返测距仪与目标之间一次所产生相位差为φ,λ为调制信号的波长。式中的λ/2称为测尺,即当相位变化为2π时所对应的距离。可以看出当选择的调制频率不同时,所能测到的最大距离是不同的。


在实际的测量中,相位法只能分辨出不足2π的部分而无法得到超过一个周期的测距值。对于采用单一调制频率的测距仪,当选择调制信号的频率为100KHz时,所对应的测尺就为1500m,也即当测量的实际距离值在1500m之内时,得到的结果就是正确的,而当测量距离大于即比测尺大时,所测得的结果只会在1500m之内,此时就出现了错误。


所以,在测量时需要根据最大测程来选择调制频率。当所设计的系统测相分辨率一定时,选择的测尺越小,所得到的距离分辨率越高,测量精度也越高。即在单一测尺的情况下,大测程与高精度是不能同时满足的。


3)三角测距法



三角测距法即光源、被测物面、光接收系统三点共同构成一个三角形光路,由激光器发出的光线,经过汇聚透镜聚焦后入射到被测物体表面上,光接收系统接收来自入射点处的散射光,并将其成像在光电位置探测器敏感面上,通过光点在成像面上的位移来测量被测物面移动距离的一种测量方法。



激光三角测距法具有结构简单、测试速度快、使用灵活方便等诸多优点,但由于激光三角测距系统中,光接收器件接收的是待测目标面的散射光,所以对器件灵敏度要求很高。另外,如激光亮度高、单色性好、方向性强,在近距离的测量中较为容易测量出光斑的位置。因此三角法应用范围主要是微位移的测量,测量范围主要在微米、毫米、厘米数量级,已经研发的具有相应功能的测距仪,广泛应用于物体表面轮廓、宽度、厚度等量值的测量,例如汽车工业中车身模型曲面设计、激光切割、扫地机器人等。


三种方法的量程和精度大致为:



这三种测量方法中,相位测距法的测量速度最慢,一般每秒只能测量几个点到几十个点(TOF distance image sensor在几百个点左右),三角测距速度居中,每秒在几百个到几千个点,脉冲测距法的测量速度最快,为每秒几万到几十万个点。


因此,激光雷达一般采用三角测距法和脉冲测距法。而短距离激光雷达采用三角测距法达到足够的精度,长距离激光雷达采用脉冲测距达到足够的速度。


#自动驾驶中激光雷达


自动驾驶中通常有多种雷达方式进行互补:视觉(单目+结构光、双目、三目)雷达,激光雷达(单线、多线),微波(毫米波)雷达。


正如上文提到的,在目前的自动驾驶中,激光雷达有单线激光雷达和多线激光雷达之分。其中,单线激光雷达主要通过一个高重频脉冲激光测距仪,加上一个一维旋转扫描来实现测量。而它的角分辨率可高于多线激光雷达,所以在行人探测、障碍物探测(小目标探测)以及前方障碍物探测等方面上,比多线激光雷达具有更多优势。多线方案目前也主要为多路单线集合而成,因而还受到体积和光路的限制。


目前的多线激光雷达,是通过多个激光发射器和接收器,在一个维度上的高度旋转,转速频率可以达到10Hz。但垂直方向的视场角很小,只有20度左右。垂直方向的点分辨率也比较稀疏。主要应用在无人驾驶等实时性要求高、精度要求不高的领域,一般情况下精度做到厘米级就可以了。


无人驾驶对激光雷达的要求非常苛刻,首先,需要测量距离足够远,通常情况下要达到100-120米,精度则在厘米级;其次,测速要求也高,单个激光发射的速率要达到几万个点每秒,通过多个激光发射器达到实时环境感知的目的。这种激光雷达属于脉冲测距方式。相比三角测距方案,它的成本会要高得多,开发难度也大。相对比扫地机器人中的激光雷达,扫地机器人采用的激光雷达测量距离近(15米内),精度要求不高,测量速率低。一般都是几千个点每秒。厂商一般采取的是三角测距的方案,这种技术的门槛不高,硬件成本也低,这就是为什么它的价格会相对较便宜,而无人驾驶激光雷达这么贵的原因。


目前国外主流的激光雷达生产厂家,Velodyne采取的是激光发射、接收一起旋转的方式;IBEO采取的是固定激光光源,通过内部玻璃片旋转的方式改变激光光束方向,实现多角度检测的需要;Quanergy采取相控阵技术,内部不存在任何旋转部件。


#适用于自动驾驶激光雷达的滨松探测器新品:近红外MPPC(905nm处高响应)


针对单线和多线激光雷达,高速、高增益且在近红外波段高灵敏度的单点探测器APD(雪崩二极管)是目前探测端的首选。该器件的探测带宽普遍在百MHz左右,且在高压工作时有几十倍的增益,能够大幅增强光电信号。



然而,在百米量级的探测中,APD所能达到的增益效果仍然不能满足需求。 自动驾驶激光雷达急需全新的探测器的出现——拥有更大的增益,且工作在近红外光范围。滨松近红外MPPC则满足了这样的要求。


滨松新型近红外MPPC在905nm处高响应



MPPC是一种俗称硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)的新型光半导体器件,根据其原理可称多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter,MPPC)。其由多个工作在盖革模式的APD阵列组成,具有高增益、高探测效率、快速响应、优良时间分辨率和宽光谱响应范围等特点。


当MPPC中的一个像素接收到一个入射光子时,就会输出一个幅度一定的脉冲,如图显示,多个像素如都接收到入射光子,则每个像素都会输出一个脉冲,这几个脉冲最终会叠加在一起,由一个公共输出端输出,以此达到更大的增益。


相比APD,MPPC的增益可达到105-106,这样在理论上,可以在更短的时间内得到更长的距离信息,探测带宽也与APD不相上下。另外,拥有相比其他种类MPPC更小的有效面积、更多像素结构的MPPC不仅具备较快的时间特性(上升时间仅1ns左右),还可利用它独特的光子分辨能力,将不同表面反射率的物体识别出来,从而达到测距同时分辨物体表面特性的目的,此外MPPC的封装形式也更易于拼接成阵列,相比APD更大的感光面积也使之更适合固态激光雷达的应用。从这些性能上来看,MPPC非常适合脉冲测距法的应用,是自动驾驶上激光雷达的理想小伙伴。



未来在1550nm波长的APD(G8931-20)可能会带来更远距离(300m)的测量,敬请期待。


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