传感技术的创新不会打破银行承诺，帮助机器人驾驶的车辆了解周围环境。
利兰Teschler|执行编辑
用于数字测绘的激光雷达单元产生一种特征的3D显示，由视野内物体反射的激光脉冲定义。该显示由Velodyne激光雷达单元生成，具有360°视野。
看看在高速公路上行驶的自动驾驶汽车原型车，你可能会看到车顶上有一个旋转的圆柱体。这个圆柱体装有光距离和测距(激光雷达)传感器。最初，激光雷达传感器被用于为导航软件生成数字地图。现在，它们是未来几代自动驾驶汽车如何感知周围发生的事情以防止碰撞的计划的关键部分。
激光雷达装置基本上是将激光束从目标上反射回来，然后利用反射时间来测量距离。这种飞行时间(TOF)测量方法可以将300米远的物体的尺寸精确到几厘米以内，并且可以以毫秒为单位提供这些信息。
有一个问题:激光雷达历来都很昂贵。例如，2005年美国国防部高级研究计划局(Darpa)大挑战赛(Grand Challenge)的参赛项目上安装的激光雷达(Lidar)装置，该赛事被认为是自动驾驶汽车技术的诞生。行业先锋开发调速发电机激光雷达在美国，他们的成本在1万美元左右，主要是因为他们使用一个精密旋转平台在周围环境中移动激光束和探测器。
工业先驱Velodyne LiDAR为Darpa自动驾驶汽车大挑战开发了第一个激光雷达装置。早期激光雷达的360°视场特征仍然可以在现代设备中使用，如Velodyne的Puck LITE。和大挑战激光雷达一样，Puck LITE的激光器和探测器都是旋转的。头部的旋转速率是可编程的，并有效地设置结果视频的帧率。较低的旋转速率提供较高的有效水平分辨率，但较低的帧速率，反之亦然。旋转传感器允许终端用户进行权衡。这些单元可以从5到20赫兹的频率旋转。
显然，这种价位不适用于批量生产的自动驾驶汽车。因此，如今，制造商们正在设计比Darpa挑战赛汽车导航更经济的激光雷达装置。针对大规模生产的自动驾驶汽车的激光雷达设计已经宣布，成本为几百美元或更低。
制造商降低激光雷达成本的一种方法是消除对精密旋转平台的需求，正如Darpa挑战赛激光雷达所发现的那样。旋转光学平台方法的优点是可以创建360°视场(FOV)。使用旋转平台的激光雷达仍在使用中，但现在倾向于主要出现在航空测绘或由四轴飞行器无人机进行的植被检查中。
但是现在许多汽车用的激光雷达装置并没有使用360°视场。相反，他们看向一个方向，视场可能是100°水平。为了获得360°的覆盖区域，自动驾驶汽车可能会安装三到四个这种有限视野的激光雷达装置。
有限视场激光雷达的实现方法有多种。其中一种技术，有时被称为闪光激光雷达，用单一的激光二极管阵列捕捉整个场景。它通常使用3D像素阵列，类似于普通数码相机，但有额外的能力记录3D深度和强度。每个像素都记录了激光脉冲反弹到传感器所需的时间。因此，每个像素都记录了它看到的反射的深度和位置以及反射强度。高速处理器计算出相机前物体的物理范围。用激光雷达的说法，得到的信息被称为3D点云帧，它以视频速率生成，通常高达60帧/秒。
一些激光雷达装置使用微镜扫描他们的激光穿过目标。LeddarTech公司的设备就是实现这种技术的一个例子。其扫描型激光雷达单元覆盖视场60°×20°，分辨率0.25°×0.3°，可以探测200米以外的行人。在工作中，一个激光二极管向在单轴上以高频率振荡的微反射镜脉冲一束准直光束。激光二极管将其脉冲与微镜同步，当微镜将光束重定向到扩散透镜时，就会产生水平视场的多次扫描。透镜使光束的定向角加倍，并使激光脉冲垂直扩散。FOV中的目标反射回被接收透镜捕获的光，并被重定向到一组光电二极管。该阵列将每个垂直信号分割为多个单独的测量，以建立覆盖整个视场的3D矩阵。产生的信息被数字化并发送到图像处理器。
另一种生成有限视场激光雷达的技术使用MEMS微镜以光栅模式的样式引导激光束穿过场景。这种系统的一个例子是由LeddarTech．它使用脉冲激光二极管，其光束从MEMS微反射镜上反弹，微反射镜每次在单轴上快速振荡。微镜将光束发送到漫射透镜，漫射透镜使光束的方向角加倍，使激光脉冲漫射到垂直视场上的目标。一个光电二极管阵列检测来自目标的背向散射光。同时，微镜的运动和激光二极管脉冲与微镜的运动同步，以多线光栅式扫描水平视场。探测器阵列在多个单独的测量中分割每个垂直信号，以建立一个三维矩阵表示视场中的目标。
通用汽车收购一家激光雷达制造商
不幸的是，传统激光雷达执行的飞行时间测量有其自身的问题。例如，简单的TOF测量容易受到来自其他信号源的干扰，而且由于所涉及的信号较弱，干扰随着距离的增加而加剧。TOF激光雷达的有用范围取决于它们对相对微弱的反射信号的探测能力。提高激光雷达光电探测器的灵敏度也使它们更容易受到干扰信号的影响。
Oewaves专利描述了其耳语画廊模式光学谐振器的操作，该谐振器很可能被纳入到频闪激光雷达系统中。源激光束通过相位旋转器和透镜使用光学耦合器(如棱镜)耦合到耳语画廊模式谐振器。在激光束中表示的频率的一个子集以自增强耳语画廊模式波A的形式传播，通过在耳语画廊模式中被“捕获”的谐振器。这种传播光的一部分通过第二个光学耦合器耦合出谐振器。输出的光束被镜子反射以提供反射光。被反射的光束返回到谐振器中形成反传播波。该波通过第一个光耦合器耦合出谐振腔，并作为反馈光返回到源激光器，这缩小了激光输出的线宽。源激光器的窄线宽输出可通过第一棱镜的一个暴露面输出并用于激光雷达系统。
普通激光雷达固有的困难可能是通用汽车(General Motors)最近收购Strobe Inc.的原因之一。Strobe是一家位于加州的小型初创公司，正在开发一种用于自动驾驶汽车的低于100美元的固态激光雷达。Strobe的激光雷达方法不同于其他制造商。它产生短暂的调频(FM)激光啁啾在啁啾雷达的风格，其中每个啁啾内的频率线性变化。探测器测量回声啁啾的相位和频率。这不仅提供了目标距离的信息，还提供了它们的相对速度。此外，据说这种返回不太容易受到干扰(因为干扰信号通常没有调制)，可以用不需要超级灵敏的光电探测器检测到。
基于调频啁啾的激光雷达的想法并不新鲜，但它依赖于各种因素，包括发射激光的线宽限制，啁啾内的频率范围，每次啁啾期间频率变化的线性，以及单个啁啾的再现性。改善其中一个因素往往会使其他因素变得更糟。到目前为止，FM激光雷达系统通常依赖于相对较大的激光源和一个精心调制的低噪声本振，FM由一个相对较大的干涉仪提供。总而言之，这些装置既复杂又笨重。
Strobe激光雷达通过使用另一家名为Oewaves, Inc.的公司设计的技术来解决体积大的问题，该公司是Strobe的一位负责人创立的。它被称为“耳语画廊模式”光学谐振腔(即谐振光学腔)，通过光反馈减小激光的线宽。“低语画廊”指的是一种能在凹表面传播的波。虽然这一想法起源于教堂中的声波，但它也适用于在微小的玻璃球或环面内循环的衰减很小的光波。
以下是Oewaves专利如何描述一种围绕FM啁啾方案构建的激光雷达系统，用于先进的驾驶辅助系统(ADAS)。一个调频激光耦合到一个光学谐振腔，该谐振腔可以支持一种或多种耳语画廊传播模式。光耦合出光学谐振腔提供光学注入锁定的调频激光器，并大大减少其线宽。为了调频激光，光谐振器的光学特性被改变(例如通过电阻加热器加热，通过压电装置施加压力，和/或通过电极施加电压势)，以改变与耳语画廊模式相关的波长。产生的光频率通过注入锁定反馈到激光器以改变激光器的输出频率。采用啁啾发生器从调频激光中产生光频啁啾。光开关将传输的光频率啁啾导向光学扫描仪。扫描时钟控制扫描速率和/或啁啾产生速率，并可以根据环境和/或交通条件进行调整。从目标反射的啁啾由扫描仪定向到光电池/放大器。与反射和保留的啁啾相对应的放大电信号在一个快速傅立叶变换引擎中处理，然后进入一个数据处理引擎，该引擎估计激光雷达发射器和反射物体之间的距离及其相对速度。
通过查看Oewaves专利，你可以对频闪激光雷达的工作原理有个大致的了解。正如专利所描述的，来自激光的光耦合进入耳语画廊模式光学谐振器，然后作为返回的反传播波耦合出来，其频率等于光学谐振器的驻波频率。这个返回的波被注入到激光器中，并具有将它锁定在谐振器频率上的作用。它还减少了激光振幅的变化(相对强度噪声，或RIN)，可降低调频激光雷达的性能。
到目前为止一切顺利。值得注意的是，该技术似乎是一种调制耳语画廊模式光学谐振器的光学特性的方法。谐振腔光学特性的频率调制为激光雷达系统提供了一种产生高线性和可再现光啁啾的方法。
就像专利申请一样，Oewaves的激光雷达方案中的一些技术细节只是模糊描述。例如，关于FM技术，它只说一个换能器(通过电极、电阻加热器和/或压电器件)可以改变耳语画廊模式光学谐振器的光学特性(例如折射率)。Oewaves表示，在任何情况下，所有这些组件，甚至是球形或环形谐振器，都可以驻留在单一的衬底上。
该专利还称，在某些情况下，光注入锁定激光器的线宽可小于100hz。这很重要，因为窄线宽有助于保持从一个啁啾到下一个的光频率再现性。这样的激光源可以提供线性啁啾的大带宽15 GHz或更多，这可以使激光雷达能够解决距离到小于一厘米在某些情况下。
根据光探测器供应商Hamamatsu的总结，不同的激光雷达单位使用不同种类的光探测器和探测技术，这取决于涉及的范围。除了进行飞行时间测量外，为近距离使用(几十米)优化的激光雷达可以实现三角测量方案，测量反射光相对于光源的位置。也使用间接方法来测量激光和返回光之间的相位差。近程激光雷达的探测器往往是硅PIN光电二极管。随着探测距离的增加，目标背向散射的激光强度下降。因此，中程激光雷达倾向于使用雪崩光电二极管探测器，因为它们可以提供10到100范围的信号增益。距离达数百米的激光雷达可能使用硅光电倍增探测器。这些基本上是在盖革模式下工作的雪崩光电二极管:单个光子通过p-n结产生雪崩电流，该结的反向偏置远远高于击穿电压。这种设备的信号增益可以达到10的数量级6．
看来我们很快就能看到具备这些功能的激光雷达了。Strobe公司表示，预计将在明年春天生产第一款商用产品。
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你好!
你文章中引用的段落是错误的。激光雷达目前在汽车上使用的旋转方法，在谷歌汽车上使用了8年，卡特彼勒使用了8年，将持续到很远的未来。它是当今几乎所有自动驾驶测试车队的首选激光雷达。你文章中提到的“低成本”TOF闪光灯和其他激光雷达在安全用于自动驾驶之前还有一些问题需要解决。他们必须无缝地缝合在一起，有错误和扭曲。它的加工成本是多少?它在拼接问题上的准确性如何?计算的成本是多少?你需要一个汽车后备箱大小的计算机来处理它吗?这个过程有多贵?它经过准确性测试了吗? Has it been tested for range? Has even one been on the road to drive a car autonomously?
与向客户发货的旋转激光雷达相比，这些未经验证的概念是赚钱的希望和梦想。旋转激光雷达是专利，否则这些廉价激光雷达的制造商会旋转。“便宜的”激光雷达可能会被证明非常昂贵，而且远不如它好。此外，旋转激光雷达正在降低价格，以满足对自动驾驶和高级安全ADAS解决方案的需求。如果你调查这个主题，你会看到旋转激光雷达出现在所有的自动驾驶汽车上。其他用于驾驶的激光雷达解决方案还远远没有得到验证。他们可能适合停车辅助。
“制造商降低激光雷达成本的一种方法是消除对精密旋转平台的需求，正如Darpa挑战赛激光雷达所发现的那样。旋转光学平台方法的优点是可以创建360°视场(FOV)。使用旋转平台的激光雷达仍在使用中，但现在往往主要出现在航空测绘或由四轴飞行器无人机进行的植被检查中。”