Bright Solutions公司的固態(tài)激光器
激光雷達(dá)中激光應(yīng)用實(shí)探:參數(shù)決定激光光源的選擇
發(fā)布時(shí)間:2017-10-17 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】LiDAR系統(tǒng)使用脈沖激光照射目標(biāo)區(qū)域,并測(cè)量反射信號(hào)返回接收器所需的時(shí)間。LiDAR系統(tǒng)一般包括:激光源或其它發(fā)射器、靈敏的光電探測(cè)器或其它接收器、同步和數(shù)據(jù)處理電子系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備或微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)掃描鏡(二選一),均是基于精確的激光掃描組件并可用于創(chuàng)建3D地圖或收集近距離數(shù)據(jù)。
對(duì)于LiDAR(激光雷達(dá))來(lái)說(shuō),一種類型的激光并不能適用于所有情況:系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需了解實(shí)際應(yīng)用環(huán)境及性能需求后,才能對(duì)光源進(jìn)行選擇。
據(jù)報(bào)道,對(duì)激光探測(cè)和測(cè)距(LiDAR)系統(tǒng)、服務(wù)于自動(dòng)駕駛汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的零部件制造商來(lái)說(shuō),合并及收購(gòu)活動(dòng)極其瘋狂,同時(shí)其他行業(yè)也加入LiDAR狂熱大軍。
豐田最新自動(dòng)駕駛平臺(tái)增加LiDAR
LiDAR系統(tǒng)使用脈沖激光照射目標(biāo)區(qū)域,并測(cè)量反射信號(hào)返回接收器所需的時(shí)間。LiDAR系統(tǒng)一般包括:激光源或其它發(fā)射器、靈敏的光電探測(cè)器或其它接收器、同步和數(shù)據(jù)處理電子系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備或微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)掃描鏡(二選一),均是基于精確的激光掃描組件并可用于創(chuàng)建3D地圖或收集近距離數(shù)據(jù)。
LiDAR系統(tǒng)簡(jiǎn)示圖
LiDAR工作原理圖
據(jù)了解,在這些所需的組件中,激光本身就有助于提升整個(gè)系統(tǒng)的性能。比如,激光光束質(zhì)量和發(fā)散角是負(fù)責(zé)LiDAR制圖的橫向(x軸和y軸)分辨率,而短脈沖持續(xù)時(shí)間和時(shí)間抖動(dòng)則是負(fù)責(zé)縱向(z軸)的精度。再比如,脈沖能量是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)程的關(guān)鍵參數(shù),而高脈沖重復(fù)率則可提升掃描速度并提高數(shù)據(jù)吞吐量。
激光性能考量因素
高峰值功率(幾十千瓦至幾十兆瓦)脈沖(納秒范圍)的固態(tài)激光器已用于LiDAR數(shù)十年,尺寸、重量、成本、功耗、液體冷卻、沖擊與振動(dòng)靈敏度,以及極端環(huán)境限制了LiDAR儀器在移動(dòng)設(shè)備、空中和空間應(yīng)用中的發(fā)展。但像意大利Bright Solutions這樣的公司,近日開(kāi)發(fā)出新一代高功率、亞納秒、通過(guò)空氣或熱傳導(dǎo)冷卻的Q開(kāi)關(guān)固態(tài)激光器。此類激光器可打破以往的限制,并提供從紫外線到近紅外的多種激光波長(zhǎng)。
Bright Solutions公司的固態(tài)激光器
對(duì)于機(jī)載地形測(cè)繪,通常使用波長(zhǎng)約為1µm的激光光源,這種波長(zhǎng)可使光波在保證用眼安全的前提下將投射范圍擴(kuò)展到足夠大。而對(duì)于海洋測(cè)繪(即海底和沿海地區(qū)的高分辨率測(cè)繪),常使用一種高能量的、頻率倍增的532 nm的激光光源,這是由于綠色光的波長(zhǎng)是純水的高透波率與潛艇微粒的有限反向散射之間最合適的折中。
機(jī)載地形測(cè)繪示意圖
如果單考慮成本和能耗,532 nm至1 µm的波長(zhǎng)通常是有益的,但若要達(dá)到相對(duì)較遠(yuǎn)的距離,激光的強(qiáng)度就很容易超過(guò)1類激光安全極限。這種情況下,如果光波沒(méi)有達(dá)到符合用眼安全的直徑(從而增加系統(tǒng)尺寸),激光發(fā)射就會(huì)對(duì)人眼造成傷害。
不同波長(zhǎng)激光眼損傷部位
民用和商業(yè)應(yīng)用中,保證用眼安全的激光器在高性能緊湊型LiDAR中越來(lái)越受歡迎。在用眼安全的波長(zhǎng)范圍內(nèi),當(dāng)在地形測(cè)繪和避障中探測(cè)固體時(shí),通常需要約紅外激光器發(fā)射1.5 µm的波長(zhǎng)。事實(shí)上,大氣情況良好時(shí),探測(cè)器在1.5 µm范圍內(nèi)是非常高效的?;蛘?,約355 nm或更短的紫外線波長(zhǎng)是保證用眼安全的大氣LiDAR系統(tǒng)的最佳選擇,因?yàn)榇髿馕⒘S邢鄬?duì)較高的反向散射系數(shù)。
除了考慮波長(zhǎng),脈沖持續(xù)時(shí)間是否也很重要?理想情況下,LiDAR的設(shè)計(jì)者們希望達(dá)到毫米到厘米級(jí)的縱向測(cè)量分辨率,因此應(yīng)該考慮短脈沖持續(xù)時(shí)間。即便如此,非常短的脈沖(約幾皮秒)也會(huì)導(dǎo)致激光光譜和接收機(jī)帶寬的擴(kuò)大,從而使信噪比變差。另一方面,脈沖超過(guò)1納秒,噪聲減少,但分辨率也會(huì)降低。使脈沖持續(xù)時(shí)間達(dá)到約幾百皮秒(或亞納秒),這是高縱向精度和信噪比的最佳權(quán)衡方案。
這里我們?cè)敿?xì)介紹自動(dòng)駕駛車(chē)輛LiDAR的激光選擇。
自動(dòng)駕駛車(chē)輛LiDAR
據(jù)ABI Research最近的一項(xiàng)調(diào)查顯示,到2026年1月,汽車(chē)上的LiDAR設(shè)備數(shù)量將達(dá)到6900萬(wàn)部。正如Keopsys集團(tuán)(拉尼翁,法國(guó))的Frederic Chiquet、研發(fā)經(jīng)理Guillaume Canat和首席執(zhí)行官M(fèi)arc le Flohic所解釋的那樣,現(xiàn)存兩類主要的自動(dòng)駕駛汽車(chē)LiDAR系統(tǒng):3D Flash LiDAR和掃描式LiDAR。
Flash LiDAR使用的是廣角發(fā)射源和廣角光學(xué)系統(tǒng)(例如魚(yú)眼鏡頭),將在單個(gè)發(fā)射過(guò)程中獲得的反散射光集中于矩陣探測(cè)器上,以獲得用于模擬車(chē)輛周?chē)鷧^(qū)域的所有飛行時(shí)間(ToF)數(shù)據(jù)。相反地,掃描式LiDAR可以逐行地處理3D環(huán)境;光在每個(gè)方向上依次發(fā)射,對(duì)應(yīng)的回聲由探測(cè)器逐個(gè)檢測(cè)。符合用眼安全的激光源必須以脈沖模式工作,光束需強(qiáng)大到能夠探測(cè)到100米外穿深色衣服的行人,工作溫度為-40到85°C,并且可發(fā)射出測(cè)距精度達(dá)10厘米的脈沖。
許多LiDAR光源是基于激光二極管,也有非制冷光纖激光器,較激光二極管有諸多的優(yōu)勢(shì),如擁有高功率光束分裂和使用光纖路由到多個(gè)傳感器位置的能力。使用主振蕩器功率放大器(MOPA)結(jié)構(gòu)中,一種典型的1550 nm LiDAR的光纖激光器的脈沖重復(fù)率達(dá)到5~250 kHz,功率水平分別為10~15 kW和200~300 W。
脈沖激光二極管和光纖激光源用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)LiDAR的應(yīng)用對(duì)比研究如下。
自動(dòng)駕駛車(chē)輛LiDAR應(yīng)用中脈沖激光二極管和光纖激光器來(lái)源的比較(來(lái)源:Keopsys集團(tuán))
專用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的脈沖激光二極管是混合器件。激光芯片安裝在由MOSFET晶體管觸發(fā)的電容器中。每當(dāng)晶體管的柵極開(kāi)啟時(shí),電容器內(nèi)積累的電荷就會(huì)被釋放到芯片中,從而釋放出光脈沖。盡管此類型光源的性價(jià)比不錯(cuò),相比昂貴的1550nm InGaAs光電二極管,其905 nm的輸出很容易被硅探測(cè)器檢測(cè)到,但激光二極管具有有限的脈沖重復(fù)率和較低的峰值功率,并且受到過(guò)熱效應(yīng)的限制。
3D Flash LiDAR的激光二極管光源是基于二極管堆疊技術(shù),用幾個(gè)邊緣發(fā)射器垂直封裝在一起,每層之間均由一層薄的散熱片隔開(kāi)以防內(nèi)部過(guò)熱。不幸的是,非相干堆疊增加會(huì)導(dǎo)致輸出功率高,這樣通常不能滿足1類用眼安全的需求。盡管VCSEL是一種比疊加技術(shù)性價(jià)比更高的替代方案,但其較弱的輸出功率將其限制在短程ToF的應(yīng)用中。
(來(lái)源:麥姆斯咨詢)
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