《單元器件集成在激光雷達中的相關(guān)技術(shù)研究》2600字（論文）

單元器件集成在激光雷達中的相關(guān)技術(shù)研究目錄TOC\o"1-2"\h\u17403單元器件如何集成在激光雷達中 123861摘要 13764一、激光雷達原理 125054二、激光雷達現(xiàn)有局限性

221470三、單元器件集成在激光雷達中的相關(guān)技術(shù) 25138（1）激光雷達的結(jié)構(gòu) 318120（2）激光雷達的種類 329411（3）激光雷達的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 5摘要與基于無線電波的雷達探測技術(shù)不同，激光雷達利用激光進行探測。由于光的波長比無線電波小十萬倍，因此激光雷達擁有更高的探測精度。對于機器人等應(yīng)用，傳統(tǒng)無線電雷達由于精度不高而往往使機器人無法精準感知細微物件。而如果裝備了高探測分辨率激光雷達，機器人就可以輕松分辨并抓取復(fù)雜微小的物件。此外，激光雷達還主要應(yīng)用在無人駕駛汽車、地形和海洋測繪、無人機等領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：單元器件；激光雷達；無人駕駛一、激光雷達原理激光雷達能夠同時獲取被探測單元與發(fā)光元件之間的距離和方位信息，并生成一個完整的三維模型。其原理是激光雷達系統(tǒng)向外界環(huán)境發(fā)射出激光束，激光束遇到被探測物體后發(fā)生反射并被系統(tǒng)檢測。通過激光從發(fā)射到激光信號被反射回來，這其中的時間差，根據(jù)其速度可以精確計算出這之間的距離；經(jīng)過提取反射激光的特定信號如獲取多普勒頻移參量等，可以獲得被測物的速度或者材料等特性。最后通過對探測激光束進行動態(tài)轉(zhuǎn)向，可以實現(xiàn)對周邊環(huán)境的全方位探測，從而創(chuàng)建出全景的三維模型。圖1為單片集成激光雷達傳感器二、激光雷達現(xiàn)有局限性

現(xiàn)有大多數(shù)激光雷達系統(tǒng)，如廣泛用于自動駕駛中的系統(tǒng)，其自由空間光學(xué)組件像激光器、接收透鏡和接收處理模塊等往往是離散的。而出于擴展探測視場的目的，這些激光/接收模塊采用的還是旋轉(zhuǎn)設(shè)計。這樣一來，不但結(jié)構(gòu)件會發(fā)生機械的上下震動，限制了激光雷達的掃描速率，還增加了系統(tǒng)的尺寸和設(shè)計的復(fù)雜性，使系統(tǒng)難以長時間可靠地運行，更不用說在極端環(huán)境中系統(tǒng)的壽命會大為減短。此外，如今商用的高端激光雷達系統(tǒng)價格從1000美元到70000美元不等，這對于一些低成本的應(yīng)用而言這無疑太過于昂貴。三、單元器件集成在激光雷達中的相關(guān)技術(shù)激光雷達包括一個激光發(fā)射機和一個激光接收機，該發(fā)射機以發(fā)射光束的形式向外輻射，隨著層數(shù)的增加，其精確度也隨之提高（見圖2)，但這也就意味著，該感應(yīng)器的體積變大了。激發(fā)裝置發(fā)射光束之后，激光在碰到障礙時會被反射，由接收機接收，接收機根據(jù)每次發(fā)射和返回的時間，生成一套高品質(zhì)的光束傳遞雷達，它能在一秒鐘內(nèi)發(fā)射超過二百余道激光光束。圖2不同激光束形成的激光點云在激光的波長方面，現(xiàn)在主要采用九百零五納米技術(shù)標準和一千五百五十納米標準的波長的激光發(fā)射機，一千五百五十納米標準的波長很難通過人體的液體進行傳播。因此一千五百五十納米標準的波長可以大幅度地增加發(fā)射功率，同時又能確保安全性。功率越大，探測距離越長，抗干擾性越強。然而，一千五百五十納米標準的波長激光器需要銦鎵砷，因此在生產(chǎn)上有一定的難度。因此目前大量采用硅材料生產(chǎn)九百零五納米技術(shù)標準集激光。采用控制功率和脈沖時間的方法，確保了系統(tǒng)的安全。（1）激光雷達的結(jié)構(gòu)激光雷達根據(jù)信號處理的信號鏈，光驅(qū)動信號，光束發(fā)射二極管，射出光學(xué)透鏡，雪崩式光電二極管，可變跨導(dǎo)放大器，以及檢測器。這些元件，包括射出光束和接收光學(xué)透鏡之外的所有電子元件。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及更新迭代，其性能在不斷提高的同時，其成本也在急劇下降。但是，在激光雷達中，光學(xué)部件和轉(zhuǎn)動設(shè)備的價格卻很高，這就變相提高了雷達的整體制造成本。圖3激光雷達的關(guān)鍵部件（2）激光雷達的種類現(xiàn)如今，市場上的激光雷達類型多種多樣，根據(jù)驅(qū)動模式分為可靠機械形式、微系統(tǒng)形式、相控陣激光形式。機械式就拿Velodyne公司在本世紀初期年推出的六十四陣列雷達來說吧。它將六十四個激光垂直排列，每分鐘旋轉(zhuǎn)二十余下。簡單的說，就是把激光點轉(zhuǎn)換成直線，用六十四條線疊加，把直線變成平面，獲得點云端數(shù)據(jù)量，從而獲得三維環(huán)境的信息。機械結(jié)構(gòu)要求精密，而點云測量要求準確的安裝位置。由于受到環(huán)境及老化等因素的影響，其失效時間平均只有大約一千到三千個小時，很難滿足汽車工廠的最低使用壽命。而且因為機載激光掃描他是安裝在汽車的頂蓋之上，因此需要在民用方面考慮諸如汽車清洗等外部保養(yǎng)問題。所以機械結(jié)構(gòu)的造價和推廣都受到了很大的制約。MEMS微系統(tǒng)激光雷達采用微電子學(xué)技術(shù)來控制旋轉(zhuǎn)鏡面，使激光光束在不同方向上反射。固體光束探測器具有快速、高分辨率、較好的溫度、震動等特點；利用波束控制，可以將探測點（點云）進行任何分配，比如在高速公路上，重點掃描前面的遠距離，對側(cè)向的稀疏掃描，但不能完全忽視，在交叉路口進行側(cè)向掃描。而機械的光束探測器，只能以均勻的速度轉(zhuǎn)動，根本做不到這樣的精密動作。法雷奧的SCALA光束探測器是一種具有代表性的應(yīng)用?，F(xiàn)在，它被用于奧迪A8(L3級別的第一款無人駕駛汽車）。它的光束探測雷達顯示器就安裝在汽車的前臉之上，使用的就是微系統(tǒng)雷達探測技術(shù)，可獲得超廣角度的掃描角，檢測范圍為八十余米。圖4奧迪A8的激光雷達相控陣（OPA）光相控陣的基本原理：它是以光學(xué)干擾為基礎(chǔ)的。在光柵衍射后，中心明紋（主瓣）的位置可以通過調(diào)整縫隙間的相位差來實現(xiàn)。其工作的基本原理如下圖所示圖5相控陣雷達的原理（3）激光雷達的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)LiDAR由于數(shù)據(jù)量較大，當前的控制架構(gòu)中，基本采用將每個光點的原始數(shù)據(jù)發(fā)回到中央控制器處理，所以通常會采用FlexRay或以太網(wǎng)此類高帶寬的網(wǎng)絡(luò)進行通訊。如法雷奧的SCALA在1代采用Flexray，2代則開始使用以太網(wǎng)。LiDAR通常從硬件層面支持授時，通常會提供支持三種時間同步接口。1)局域網(wǎng)時鐘協(xié)議同步，根據(jù)準確的計時協(xié)議，利用以太網(wǎng)進行測量和系統(tǒng)控制，使其達到準確的時鐘同步。2)利用同步信號線路來實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步的脈沖同步。3)全球定位系統(tǒng)同步，其數(shù)據(jù)同步是由全球定位系統(tǒng)與格林威治時間坐標同時進行的。就拿現(xiàn)在最常用的旋轉(zhuǎn)激光雷達來說，它的數(shù)據(jù)是十赫茲，也就是機載激光掃描在零點一秒的時間里旋轉(zhuǎn)一周，然后把硬件的數(shù)據(jù)分成不同的數(shù)據(jù)包，每一塊數(shù)據(jù)包都是當前扇區(qū)的全部數(shù)據(jù)，包括每一點的時間標記，每一點的超量數(shù)據(jù)，每一點的輻射強度，以及激光發(fā)射器的地址等等。而最新的激光雷達，則是由多個回聲和噪點組成的。