毫無疑問,激光雷達(dá)是自動(dòng)駕駛傳感器領(lǐng)域最熱門的投資領(lǐng)域之一,幾乎每個(gè)月都有 1 到 2 筆重大投資。
目前自動(dòng)駕駛領(lǐng)域傳感器主要有攝像頭、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)組成。如果說激光雷達(dá)兼具毫米波雷達(dá)和攝像頭的功能和優(yōu)點(diǎn),又沒有它們的缺點(diǎn),未來自動(dòng)駕駛只用激光雷達(dá)即可。
你肯定會(huì)說這不可能,因?yàn)楝F(xiàn)在很多公司都強(qiáng)調(diào)多傳感器融合。為何激光雷達(dá)或一統(tǒng)江山?主要原因還是激光雷達(dá)的種類太多,分布十分廣泛,性能挖掘潛力巨大。
激光雷達(dá):“三大類”和“四部分”
激光雷達(dá)按重點(diǎn)提供的內(nèi)容可以分為三大類:
一類是類似毫米波雷達(dá),重點(diǎn)提供目標(biāo)的速度、距離和方位角,如 IBEO 的 4 線或單線激光雷達(dá),某些固態(tài)激光雷達(dá)也是如此,如通用剛剛收購的 Strobe。
一類是以三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)合成點(diǎn)云數(shù)據(jù)為重點(diǎn)輸出內(nèi)容,如 Velodyne 的 16、32、64 線激光雷達(dá),還有固態(tài)單光子激光雷達(dá)。
最后一類是 2 維或 3 維圖像為重點(diǎn)輸出內(nèi)容的激光雷達(dá),大多數(shù) Flash 固態(tài)激光雷達(dá)都是如此。
當(dāng)然 64 線激光雷達(dá)也可以輸出 3 維灰度圖像,但目前 64 線激光雷達(dá)的首要應(yīng)用還是點(diǎn)云,某些固態(tài)激光雷達(dá)也能在輸出圖像同時(shí)提供目標(biāo)的速度和距離但首要應(yīng)用還是圖像。
這些種類繁多的激光雷達(dá)常讓人迷惑,但從零部件上劃分,總體可分為 4 部分,即發(fā)射端、接收端、光學(xué)掃描器和光學(xué)天線。
發(fā)射端主要是激光器,NdYAG 固體激光器、CO2 氣體激光器和 GaAlAs 半導(dǎo)體二極管激光器、光纖激光器等最具有代表性。
接收端又可以叫光電探測(cè)器,主要有 PIN 光電二極管、硅雪崩二極管 (SiAPD)、硅光電倍增器(SiPM,又叫 MPPC),光電導(dǎo)型碲鎘汞 (HgCdTe) 探測(cè)器和光伏型碲鎘汞探測(cè)器。
光學(xué)天線則有透射式望遠(yuǎn)鏡(開普勒、伽利略),反射式望遠(yuǎn)鏡(牛頓式、卡塞哥倫),收發(fā)合置光學(xué)天線,收發(fā)分置光學(xué)天線,自由空間光路,全光纖光路,波片(四分之一、二分之一)分束鏡、合束鏡、布魯斯特窗片。
光學(xué)掃描器則有圓柱形(Velodyne),6-12 面多面體型,聲子偏轉(zhuǎn)器,壓電掃描器,光柵掃描器,光學(xué)相位掃描器,MEMS 鏡掃描器。
固態(tài)激光雷達(dá)大多源自三維圖像傳感器的研究,這種傳感器實(shí)際源自紅外焦平面成像儀,焦平面探測(cè)器的焦平面上排列著感光元件陣列,從無限遠(yuǎn)處發(fā)射的紅外線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在系統(tǒng)焦平面的這些感光元件上,探測(cè)器將接受到光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行積分放大、采樣保持,通過輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng),最終送達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)形成圖像。
大部分固態(tài)激光雷達(dá)則是主動(dòng)發(fā)射激光,激光到達(dá)目標(biāo)后反射回光線到達(dá)焦平面。也有某些低成本設(shè)計(jì),干脆采用紅外二極管發(fā)射紅外光波,這種已經(jīng)不能算嚴(yán)格意義上的激光雷達(dá)。
「線性模式」與「蓋革模式」
實(shí)際上,傳統(tǒng)的 CCD 或 CMOS 圖像傳感器也是這樣的原理,只不過它們是接收自然光,除此之外唯一的差異在于接收端,CCD 或 CMOS 圖像傳感器使用的是 PN 型二極管,旋轉(zhuǎn)掃描型激光雷達(dá)是使用 PIN 型,而固態(tài)激光雷達(dá)一般是使用雪崩二極管 APD。
PN 型二極管更容易做到低成本和高像素,但是增益較低,動(dòng)態(tài)范圍窄。APD 是一種半導(dǎo)體光檢測(cè)器, 其原理類似于光電倍增管,在加上一個(gè)較高的反向偏置電壓后 (在硅材料中一般為 100 到 200 V),利用電離碰撞 (雪崩擊穿) 效應(yīng), 可在 APD 內(nèi)部獲得電流增益。
APD 的工作模式分為線性模式和蓋革模式兩種。當(dāng) APD 的偏置電壓低于其雪崩電壓時(shí), 對(duì)入射光電子起到線性放大作用, 這種工作狀態(tài)稱為「線性模式」。
在線性模式下,反向電壓越高,增益就越大。APD 對(duì)輸入的光電子進(jìn)行等增益放大后形成連續(xù)電流,獲得帶有時(shí)間信息的激光連續(xù)回波信號(hào)。
當(dāng)偏置電壓高于其雪崩電壓時(shí),APD 增益迅速增加,此時(shí)單個(gè)光子吸收即可使探測(cè)器輸出電流達(dá)到飽和,這種工作狀態(tài)稱為「蓋革模式」。
在蓋革模式下,單個(gè)光子即可使 APD 的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)開、關(guān)之間的轉(zhuǎn)換, 形成一個(gè)陡峭的回波脈沖信號(hào), 因而具備單光子成像的能力。
總的來說,蓋革模式 APD 具有單光子探測(cè)能力, 但是其需要淬火電路,且虛警率較高,而線性模式 APD 雖然能夠獲得目標(biāo)的灰度信息, 但是也有相對(duì)蓋革模式增益較低的缺點(diǎn)。蓋革模式下一般稱之為「單光子激光雷達(dá)」。
單光子激光雷達(dá)是一種能夠徹底顛覆空戰(zhàn)格局的雷達(dá),由于其靈敏度極高,探測(cè)距離理論上可以非常遠(yuǎn),三千公里都不成問題,這點(diǎn)在軍事上非常有價(jià)值,F(xiàn)-22、B-2 等飛機(jī)高超的隱身性能,幾乎使現(xiàn)役雷達(dá)和光電探測(cè)系統(tǒng)變成「瞎子」。
但單光子探測(cè)系統(tǒng)極高的探測(cè)靈敏度,即使對(duì) F-22、B-2 這樣的隱身飛機(jī),作用距離也可達(dá)到幾百到幾千公里,可在極遠(yuǎn)距離上發(fā)現(xiàn)隱身飛機(jī),使其「無處遁形」。利用空中平臺(tái)或臨近空間平臺(tái)配裝單光子探測(cè)系統(tǒng),構(gòu)建單光子探測(cè)網(wǎng)絡(luò),只需幾部單光子探測(cè)系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)領(lǐng)空的全域覆蓋。
在此基礎(chǔ)上用地面或空中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈構(gòu)建空中地面聯(lián)合火力網(wǎng),把單光子探測(cè)網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的目標(biāo)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),可對(duì)任何位置(地面或空中)發(fā)射的導(dǎo)彈進(jìn)行目標(biāo)指引,有效攻擊全球目標(biāo),實(shí)現(xiàn)「全球感知,全球打擊」。將空戰(zhàn)由超視距作戰(zhàn)改為超超視距作戰(zhàn)。
單光子激光雷達(dá)用在自動(dòng)駕駛上,將提供超高密度的點(diǎn)云,達(dá)到 128 線甚至 256 線的效果,當(dāng)然,它無法做到 360 度。
圖為 APD 3D 成像原理圖
自 1993 年開始,美國國防部開始資助美國 MIT 的林肯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)單光子激光雷達(dá),這也是目前全球最優(yōu)秀的單光子激光雷達(dá)供應(yīng)者,1998 年林肯實(shí)驗(yàn)室推出第一代樣機(jī)。第一代樣機(jī)原理圖如下:
2001 年推出第二代,2003 年推出第三代。2010 年則首次將單光子激光雷達(dá)裝在噴氣式飛機(jī)上實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)掛載在噴氣式飛機(jī)機(jī)腹位置, 對(duì)地面進(jìn)行主動(dòng)激光照射并三維成像,同時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)融合 GPS /IMU 信息, 實(shí)現(xiàn)對(duì)地面的偵察與測(cè)繪。
探測(cè)器是 32 × 128 的 InP /InGaAsP 蓋革 APD,激光器工作波長為 1500nm,能夠全天時(shí)在 3 公里高空對(duì)地面進(jìn)行 2000 km /h 的快速三維成像, 距離精度為 0.3 m。
對(duì)地成像
此后直到 2015 年,MIT /LL 在激光三維成像雷達(dá)方面的研究工作主要集中在開發(fā)性能更佳的近紅外波段響應(yīng) InP /InGaAs APD 陣列。近紅外波段的激光人眼安全并具備隱蔽性, 能夠通過提高功率的方式獲得更佳的探測(cè)性能。
目前林肯實(shí)驗(yàn)室可以提供 256*256 精度,預(yù)計(jì)到 2018 年可以達(dá)到 1024*1024 的精度,完全達(dá)到實(shí)用級(jí)別。2003 年日本防衛(wèi)省科技研究院實(shí)驗(yàn)成功了 35*35 精度的單光子激光雷達(dá),目前估計(jì)也達(dá)到 256*256 的精度,但已經(jīng)屬于軍事機(jī)密。
2005 年德國知名導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)大廠,代傲國防系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室完成單光子激光雷達(dá)識(shí)別導(dǎo)彈真假彈頭的實(shí)驗(yàn),有助于遠(yuǎn)距離啟動(dòng)攔截導(dǎo)彈。
單光子激光雷達(dá)與線性固態(tài)激光雷達(dá)
上圖是豐田于 2013 年開發(fā)的基于 SiSPAD (硅單光子)的激光雷達(dá)原型。水平角分辨率高達(dá) 0.05 度,水平 FOV 為 170 度,垂直 FOV 較差,僅為 4.5 度。采用了少見了 870 納米激光,脈沖帶寬為 4 納秒,每秒高達(dá) 8 億 TOF,云點(diǎn)數(shù)為 326400,云點(diǎn)密度大約是 Velodyne VLP16 的 13 倍。
單光子激光雷達(dá)缺點(diǎn)是,存在死時(shí)間效應(yīng)。GM(蓋革)-APD 飽和后需要一定時(shí)間才能恢復(fù)原來狀態(tài),為使其可以連續(xù)正常工作需要采用淬火電路對(duì)雪崩進(jìn)行抑制。此外,GM-APD 有極高的靈敏度,其最噪聲因素更加敏感,通道之間串?dāng)_更嚴(yán)重。
線性模式 APD 陣列的優(yōu)點(diǎn)如下:光子探測(cè)率高,可達(dá) 90% 以上;有較小的通道串?dāng)_效應(yīng); 具有多目標(biāo)探測(cè)能力; 可獲取回波信號(hào)的強(qiáng)度信息; 相比于 GM-APD,LM-APD 對(duì)遮蔽目標(biāo)有更好的探測(cè)能力。
缺點(diǎn)是靈敏度低于 GM-APD;讀出電路的復(fù)雜度大于 GM-APD(需對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、高速采樣、閾值比較、存儲(chǔ)等操作)。
單光子的優(yōu)點(diǎn)主要是云點(diǎn)高密度和適應(yīng)載體(飛機(jī)或?qū)棧┑母咚僖苿?dòng),還有就是讀出電路簡單,周邊電路成本低,缺點(diǎn)是信噪比不夠高,也沒有激光回波的強(qiáng)度信息,也就是無法取得灰度圖像,也無法單靠強(qiáng)度就識(shí)別樹木,草地,建筑物和道路,也很難對(duì)應(yīng)多個(gè)目標(biāo)。
線性 APD 的缺點(diǎn)是讀出電路復(fù)雜,成本高。再有就是單光子屬于敏感的軍用元件,全球各國都嚴(yán)格控制,不易取得穩(wěn)定,大量的供應(yīng)渠道。因此豐田在 2017 年還是轉(zhuǎn)向線性 APD,投資了 Luminar。
線性 APD 固態(tài)激光雷達(dá)起源自美國 NASA 的火星探測(cè)計(jì)劃,為保證飛行器在火星表面安全著陸,需要一套三維成像雷達(dá)系統(tǒng),為飛行器降落選擇合適的著陸點(diǎn)。
這項(xiàng)工作在 2003 年委托 ASC(Advanced Scientific Concepts) 公司負(fù)責(zé),2005 年 ASC 開始為 NASA Langley Research Center(LaRC) 研制自主著陸和避險(xiǎn)系統(tǒng) (Autonomous Landing and Hazard Avoidance technology,ALHAT) 的三維成像雷達(dá)系統(tǒng) GoldenEYE。
2013 年, 該系統(tǒng)掛載在火星漫游車著陸器原型機(jī)夢(mèng)神號(hào) (Morpheus) 上, 在地面模擬月球表面環(huán)境測(cè)試, 探測(cè)器分辨率為 128 × 128,激光器單脈沖能量為 11 mJ, 接收光學(xué)系統(tǒng)視場角為 3 度, 幀頻為 5 Hz?
飛行器在 200 米以上高空落體, 可以完成在有障礙物的場地自主著陸蔽障工作? 在激光功率一定的情況下, 可以通過將 128 × 128 像元合并為 11 ×11 像元, 通過合并像元的方式提高信噪比, 使雷達(dá)成像距離由 1. 8 公里 提升至 20 公里, 完成飛行器的全程自主著陸控制?
ASC 在 2016 年被德國大陸汽車系統(tǒng)公司收購,在 2017 年展出了針對(duì)自動(dòng)駕駛的 3 維成像固態(tài)激光雷達(dá)。大陸未公布詳細(xì)參數(shù),推測(cè)其最遠(yuǎn)距離可達(dá) 500 米,分辨率達(dá)到 256*256。年量產(chǎn)達(dá)到 10 萬級(jí)的話,成本估計(jì)在 150 到 200 美元。
但是就目前來看,由于 APD 陣列的非均勻性造成的大多數(shù)線性 APD 都只能獲得距離像,灰度圖像依然存在很多問題。下一步的發(fā)展是進(jìn)一步提高線性 APD 的像元數(shù)量并增強(qiáng)一致性,并提高分辨率。
國內(nèi)固態(tài)激光雷達(dá)十分落后,都停留在科研院所原型機(jī)階段(包括中科院上海技物所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、桂林理工大學(xué)、中科院長光所、南京大學(xué)等高校),目前最多能達(dá)到 8*8 的分辨率,與國外有 15 到 20 年的差距。