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激光雷达:从光电技术角度看自动驾驶

2018-04-18 01:37
滨松
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然而,闪光激光雷达的主要缺点是回波光子数量:一旦距离超过数十米,返回光的数量就太少,无法进行可靠的探测。如果不是直接用光覆盖所有探测环境而是采用结构光的形式(例如点阵形式),且牺牲一定的切线分辨率,则可以提高回波光强度。此外,垂直腔面发射激光器(VCSELs)使得在不同方向同时发射数千束光束的出射成为可能。

激光雷达:从光电技术角度看自动驾驶

滨松可用于激光雷达的光半导体探测器对比

摆脱ToF法的限制

ToF激光雷达由于其回波脉冲较弱、探测部分电子学设计的宽带较宽而容易受到噪声的影响,而阈值触发则会产生Δt的测量误差。因此,调频连续波(FMCW)激光雷达是一种很有意义的替代方法。

在FMCW雷达或啁啾调制雷达中,天线连续发射频率被调制的无线电波。例如,随着时间T从?0线性增加到?max,然后随着T从?max线性减小至?0。如果波在一定距离内的移动物体上反射回发射点,其瞬时频率将与该瞬间发射的无线电波不同。这一差别由两个因素导致:到物体的距离及其相对径向速度。可以通过电子测量方法得到频差,同时计算物体的距离和速度(见下图)。

激光雷达:从光电技术角度看自动驾驶

在啁啾雷达中,通过电子测量fB1和fB2,可以确定与反射目标的距离及其径向速度。

在啁啾雷达的启发下,FMCW激光雷达可以通过不同的方式获得。在最简单的设计中,人们可以啁啾地调节照亮目标的光强。这个频率受FMCW雷达载波频率的相同规律(例如多普勒效应)的影响,返回的光被光探测器探测到并恢复调制频率,输出被放大并与本身振荡频率混频从而允许测量频移,并由此计算出目标的距离及其速度。

但是FMCW激光雷达有一定的局限性,与ToF激光雷达相比,它需要更多的计算能力,因此在生成全三维环绕图时速度较慢,而且测量精度对啁啾时调制时的线性度程度非常敏感。

虽然设计一种功能完善的激光雷达系统具有挑战性,但这些挑战都不是不可克服的。随着研究的继续,我们越来越接近于大多数汽车生产结束后就能够完全自动化的时代。

原文作者

美国滨松研究科学家:Slawomir Piatek

美国滨松营销工程师:Jake Li

参考文献

1.J. Wojtanowski et al., Opto-Electron. Rev., 22, 3, 183-190 (2014).

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