激光雷达类型

现有的激光雷达系统种类多样，我们在此将重点介绍其中的窄脉冲 ToF 测量方法。激光雷达系统中有两种波束控制类型：

• 机械式激光雷达利用高级的光学器件和旋转部件，提供宽（通常是 360 度）FOV。其机械特性可在宽 FOV 范围内提供高信噪比 (SNR)，但会造成尺寸偏大（尽管已经有所缩减）。
• 固态激光雷达没有旋转机械组件，且 FOV 偏小，因此较便宜。通过位于汽车前后和侧面的多个通道以及融合多通道数据，可产生优于机械式激光雷达的 FOV。

固态激光雷达具有多种实现方式，包括：

• 微机电系统 (MEMS) 激光雷达。MEMS 激光雷达系统利用倾斜角随激励（如电压）不同而变化的微镜。实际上，MEMS 系统利用机电等效件替代了机械扫描硬件。用于确定接收 SNR 的 MEMS 系统接收器收光孔径通常很小（毫米级）。要在多个维度移动激光束，需要级联多个微镜。这一校准过程非常重要，而且安装后易受车辆行驶中冲击和振动的影响。MEMS 系统的另一个隐患是，让 MEMS 器件承受低至 -40°C 的温度很具挑战性。
• 闪光激光雷达。闪光激光雷达的工作原理与使用光学闪存的标准数字摄像头非常相似。在闪光激光雷达中，一个大面积激光脉冲照射前方环境，而与其非常靠近的焦平面阵列光电探测器收集反向反射光。探测器采集图像距离、位置和反射强度。与机械激光扫描法相比，这种方法能采集单个图像中的整个场景，因此，数据采集率更快。除此之外，由于单次闪光可捕获整个图像，这种方法不会受振动影响而损坏图像。其不足之处在于实际环境中反光体的存在。反光体会反射大部分光信号，而反向反射很少，会对整个传感器产生盲区，可用性降低。这种方法的另一个缺点是，要照射整个场景和确保视野足够远，需要很高的峰值激光功率。
• 光学相控阵 (OPA)。OPA 工作原理与相控阵雷达类似。在 OPA 系统中，光学相位调制器控制光穿过透镜的速度。控制光速能实现对光波阵面形状的控制，如图 2 所示。顶部光束未发生延迟，而中间和底部光束延迟量递增。该现象有效地“控制”激光光束指向不同方向。类似方法也可用于控制朝向传感器的反向散射光，因此无需使用机械运动部件。
  图 2 一个 OPA。
• 调频连续波 (FMCW) 激光雷达。虽然上述方法以使用窄光脉冲的 ToF 原理为基础，但 FMCW 利用相干方法产生调频激光的简单线性调频脉冲。通过测量返回线性调频脉冲的相位和频率，系统能测量出距离和速率。尽管生成线性调频脉冲增加了难度，但 FMCW 方法显著简化了负载和光学器件的计算过程。