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“基于MEMS技術(shù)的激光雷達(dá)傳感器通常價(jià)格較低，但其性能不足以用于自動(dòng)駕駛車輛。”我們經(jīng)常聽到這樣的說法。本文將說明我們的傳感器如何使這一假設(shè)失效，我們?nèi)绾螢榧す饫走_(dá)開發(fā)MEMS技術(shù)，如何為激光雷達(dá)找到理想的鏡面尺寸以及決定因素。
汽車應(yīng)用所需：高性能和可量產(chǎn)
激光雷達(dá)應(yīng)用在自動(dòng)駕駛車上，必須滿足兩個(gè)基本要求：一方面，提供高性能，包括遠(yuǎn)距離和寬視野。另一方面，必須具有可量產(chǎn)性，以便能夠生產(chǎn)和安裝在數(shù)百萬輛汽車上。激光雷達(dá)制造商想了一系列的辦法來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。機(jī)械式激光雷達(dá)系統(tǒng)是目前最常用的系統(tǒng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)光束偏轉(zhuǎn)單元。盡管機(jī)械式激光雷達(dá)擁有廣闊的視野和遠(yuǎn)距離探測(cè)的特性，但它們的機(jī)械裝置需要定期維護(hù)，而且體積大、重量大、生產(chǎn)成本高?？傮w來說，機(jī)械式激光雷達(dá)只滿足高性能這一個(gè)要求。
另一種應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的是MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)。這種技術(shù)，組件是用硅來制造的，具有可量產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)：由于這項(xiàng)技術(shù)經(jīng)過多年的應(yīng)用和測(cè)試，所有組件均可以以經(jīng)濟(jì)高效的方式大量生產(chǎn)。
基于MEMS技術(shù)的激光雷達(dá)是如何應(yīng)對(duì)高性能這一挑戰(zhàn)的呢？
選擇合適激光源，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)
要想讓自動(dòng)駕駛車能夠高速安全行駛，它們必須能夠“看見”并感知周圍的世界——不僅是近處，而且在更遠(yuǎn)的距離也應(yīng)如此。在高速公路上行駛時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要，因?yàn)檐囕v行駛速度很快，因此必須要可靠地檢測(cè)到遠(yuǎn)距離的物體、彎道和其他車輛，以便能夠及時(shí)作出反應(yīng)。因此，傳感器需要檢測(cè)到遠(yuǎn)距離才能在高速公路上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。
為了使激光雷達(dá)傳感器達(dá)到這個(gè)探測(cè)距離，發(fā)射器或探測(cè)器都需要專門針對(duì)這一應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。首先可能調(diào)整的是激光源。通常，應(yīng)用到激光雷達(dá)傳感器的激光源波長有兩種。一些雷達(dá)制造商采用波長為1550納米的光纖激光器。人眼視網(wǎng)膜不會(huì)聚焦這種波長的激光，因此即使在高能量水平下，也符合人眼安全標(biāo)準(zhǔn)。這類型激光雷達(dá)的激光源能量越高，探測(cè)距離也就越長。然而，這種類型的激光源也有一個(gè)致命的缺點(diǎn)：1550nm的激光器體積大、制造復(fù)雜，導(dǎo)致激光雷達(dá)外殼尺寸較大并且成本很高。
故此，許多激光雷達(dá)應(yīng)用都使用激光脈沖發(fā)射波長為905nm的激光二極管。它們的顯著優(yōu)點(diǎn)是體積很小，并且很早之就已經(jīng)在其他領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。實(shí)際上，這些二極管價(jià)格低廉，能夠在市場上大量購買。然而，人眼安全法規(guī)要求二極管的光束強(qiáng)度要低于1550nm激光器的光束強(qiáng)度，因此在發(fā)射極側(cè)的優(yōu)化受到限制。
為鏡片尋找合適的尺寸
那么如何優(yōu)化探測(cè)器呢？孔徑在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)中起著重要作用。在基于MEMS的設(shè)計(jì)中，孔徑與鏡面尺寸相對(duì)應(yīng)。為了捕捉盡可能多的光，需要一個(gè)大的光圈——換句話說，就是一個(gè)盡可能大的鏡子。然而，鏡片的尺寸也受到某些因素的限制，因此有必要結(jié)合考慮這些因素，計(jì)算出鏡片的最佳尺寸。這些因素包括：接收光子數(shù)、準(zhǔn)直、偏轉(zhuǎn)角、共振頻率。
光子數(shù)
一方面，在激光雷達(dá)中使用的鏡片的大小取決于必須發(fā)射多少光子才能有足夠數(shù)量的光子返回，從而探測(cè)到目標(biāo)?？梢愿鶕?jù)鏈路估值精確計(jì)算最小光子數(shù)。這一測(cè)量需要考慮通過這段距離和通過低反射表面損失光子數(shù)、光的均勻散射以及探測(cè)器的效率。通過這種方法，就有可能計(jì)算出必須發(fā)射多少光子，或者孔徑多大，才能再次檢測(cè)到最小數(shù)量的光子。除此之外，傳感器采用同軸設(shè)計(jì)，這意味著只有從發(fā)射的同一方向返回的光才能被重新捕獲。對(duì)于傳感器來說，這是有利的，可以防止捕獲到其他的干擾光信號(hào)。
激光準(zhǔn)直
為了獲得高分辨率數(shù)據(jù)，可靠地識(shí)別小目標(biāo)，激光必須準(zhǔn)直地?fù)糁心繕?biāo)。這是通過在激光器前面放置一個(gè)透鏡來實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)在，鏡片的尺寸又起作用了：鏡片必須足夠大，足以偏轉(zhuǎn)所有被透鏡準(zhǔn)直的光。
共振頻率
MEMS反射鏡以一定的諧振頻率振蕩。它們由集成執(zhí)行器觸發(fā)，因此不需要電機(jī)或任何其他機(jī)械裝置。這是一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殡姍C(jī)和運(yùn)動(dòng)部件很快就會(huì)磨損，需要定期維護(hù)。如果振蕩是由集成執(zhí)行器觸發(fā)的，則不會(huì)出現(xiàn)這些問題。反射鏡的共振頻率取決于反射鏡的尺寸和安裝方式。為此，我們開發(fā)了一種嵌入反射鏡的專有技術(shù)，以便能夠使用特別大的鏡面尺寸。由于直徑非常大，大量的光子直接進(jìn)入周圍環(huán)境并返回到探測(cè)器上。這使得激光雷達(dá)傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)精確的遠(yuǎn)距離探測(cè)。此外，由于尺寸較大，這些鏡片比直徑只有幾毫米的傳統(tǒng)產(chǎn)品更耐用。虹科激光雷達(dá)中使用的反射鏡因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)輕巧，具有很高的諧振頻率，這確保了盡可能多的光子返回探測(cè)器：如果反射鏡振蕩過快或者過慢，因?yàn)橥S結(jié)構(gòu)的存在，探測(cè)器依然能夠接收到足夠數(shù)量的光子。
專為激光雷達(dá)應(yīng)用定制設(shè)計(jì)的MEMS技術(shù)
總之，鏡片的尺寸是由一系列因素決定的。為了制造基于MEMS的高性能激光雷達(dá)，必不可少需要對(duì)反射鏡組成成分、尺寸和嵌入方式等方面進(jìn)行研究。只有將MEMS技術(shù)與激光雷達(dá)應(yīng)用結(jié)合起來，才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、寬視場和高分辨率的要求。
(原標(biāo)題：虹科自動(dòng)駕駛：激光雷達(dá)傳感器的核心——MEMS技術(shù))
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