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自动驾驶激光雷达探测距离由哪些因素影响?

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本文首发于智驾最前沿微信公众号,自动驾驶汽车想在复杂的高速公路或城市路况下实现安全行驶,前方的视线范围至关重要。

当车辆以120km/h的速度行驶时,紧急刹车和系统响应需要超过百米的深度感知距离。

作为自动驾驶的核心传感器,激光雷达的探测距离直接决定了系统的安全冗余,那激光雷达的探测距离由哪些因素影响?

01

发射端如何突破光能限制?

激光雷达测量距离采用的是飞行时间法,系统通过发射极短的激光脉冲,记录光束撞击目标并返回的时间差,进而通过光速计算出距离。

从能量角度来看,发射的激光脉冲峰值功率越高,飞向远方并能成功返回的光子数量就越多。



图片源自:网络

然而,发射功率的提升面临着严格的物理与法规限制,其中最核心的就是人眼安全标准。

目前主流的飞行时间激光雷达主要采用905纳米和1550纳米两种波长。

905纳米激光器采用边发射激光器或垂直腔面发射激光器,其技术成熟、成本较低,且能直接使用便宜的硅基光电探测器。

但这个波长的光线能穿透人类眼球的晶状体并聚焦在视网膜上。

为了避免对人眼造成永久性灼伤,国际电工委员会对905纳米激光的发射功率制定了上限,这直接限制了它的最远探测距离。

为了追求更远的探测视距,高规格的激光雷达开始转向1550纳米波长,这一波长的红外光在到达视网膜之前,就会被眼球的晶状体和玻璃体吸收,无法在视网膜上聚焦。

因此,1550纳米激光雷达可以允许使用比905纳米高出数十倍甚至上百倍的脉冲功率。

配合昂贵的光纤激光器,就能轻松将光束送往更远的地方,实现两百米以上的超远距离感知。

02

目标物如何影响光线回收?

激光脉冲在空中飞行并接触到障碍物后,会向四周散射。

最终能有多少光子循着原路返回雷达的接收器,取决于目标物体的物理表面特性,在雷达技术中,我们用反射率来量化这种特性。

不同材质、颜色和粗糙度的物体,对激光的吸收和反射能力天差地别。

像是铝制的交通标志牌、白色的车身等高反射率的目标,能够将绝大部分的激光能量反射回来。

在这种理想条件下,激光雷达的探测距离可以达到极高水准,但在实际道路上,低反射率的物体才是常态。

如全身喷涂深色吸光车漆的黑色轿车,或是穿着深色衣物的行人,其表面反射率有时只有10%甚至更低,大部分激光能量在撞击物体瞬间就被吸收了,返回的光子就非常少。



图片源自:网络

因为这个原因,行业在评估激光雷达的性能时,单纯看一个绝对的距离数字是没有意义的,其性能指标必须绑定反射率。

通常,行业会以在10%反射率下能看清多少米作为衡量核心探测能力的硬性标准。

只有在低反射率条件下依然能保持两百米左右探测能力的雷达,才能确保自动驾驶车辆在夜间及时发现危险的暗色障碍物。

03

接收端怎样捕捉微弱回波?

当历经衰减的微弱光子流返回雷达时,接收端传感器的灵敏度成了决定探测距离的另一大关键因素。

接收芯片不仅要能从纷乱的信号中检测到光子,还要有能力将微弱的信号放大到足以被数字化处理的程度。

早期的激光雷达主要依赖雪崩光电二极管,这种器件需要成百上千个光子同时撞击,才能产生足够强度的电信号。

这意味着如果距离太远、回波光子太稀疏,系统就会漏检。

为了突破这一瓶颈,新型激光雷达引入了光子探测技术,采用单光子雪崩二极管或硅光电倍增管。

这类传感器拥有极高的增益能力,哪怕只有单个光子触发,也能激发出明显的电信号,这也让雷达能够识别出极远距离处传回的微弱回波。



图片源自:网络

除了接收芯片本身,光电系统的光学设计也扮演着重要角色。

接收镜头的有效孔径越大,意味着在空间中收集光子的漏斗开得越大,能够捕获的光子总量就越多。

同时,行业内还在发展调频连续波技术,与传统的脉冲技术不同,这种技术让发射光和接收光在芯片内部进行相干相长干涉。

通过这种本地光信号的放大效应,调频连续波雷达在极低的发射功率下,也能实现超远的探测距离,并且具备极强的抗干扰能力。

04

环境噪声如何压缩探测极限?

激光雷达在实际车载运行中,并不是在一个干净、纯粹的物理环境中工作,它必须对抗无处不在的环境背景噪声,太阳光就是最大的干扰源。

太阳光谱中包含了大量的红外波段,在盛夏的烈日下,密集的太阳光子会源源不断地涌入雷达的接收镜头。

这些无用的太阳光子如果触发了接收传感器,就会形成背景噪声。

当远方障碍物反射回来的有效光子淹没在汹涌的太阳光子海中时,接收端的光电信号比就会急剧下降,如果无法将信号从噪声中剥离,雷达就无法确认目标的距离。

为了解决这个问题,雷达内部会配置带宽极窄的滤光片,精准剔除绝大部分太阳光,只允许特定波长的激光通过,从而在强光环境下尽量维持原有的探测视距。



图片源自:网络

空气中的介质分布则是另一个无法忽视的环境变量。

在晴朗的天气下,空气对激光的吸收和散射作用很小,但在大雾、暴雨、浓烟或沙尘天气中,空气中充斥着高密度的水珠或颗粒物。

激光在传播过程中会不断与这些微粒发生米氏散射,光能被迅速削弱并四散开来,这个话题智驾最前沿之前也专门聊过:自动驾驶激光雷达为什么在雨雾天气下表现不佳?

这种大气的衰减作用会使激光能量指数级下降,导致原本设计探测两百米的雷达在浓雾中可能只能看清数十米。

这也是目前整个自动驾驶行业在恶劣天气下面临的共同物理限制。

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