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獨家專欄 | 固態激光雷達的前世今生
雷鋒網(公眾號：雷鋒網)按：本文為雷鋒網獨家專欄，作者係佐思產研研究總監周彥武，雷鋒網經授權發布。
毫無疑問，激光雷達是自動駕駛傳感器領域最熱門的投資領域之一，幾乎每個月都有 1 到 2 筆重大投資。
目前自動駕駛領域傳感器主要有攝像頭、毫米波雷達和激光雷達組成。如果說激光雷達兼具毫米波雷達和攝像頭的功能和優點，又沒有它們的缺點，未來自動駕駛隻用激光雷達即可。
你肯定會說這不可能，因為現在很多公司都強調多傳感器融合。為何激光雷達或一統江山？主要原因還是激光雷達的種類太多，分布十分廣泛，性能挖掘潛力巨大。
激光雷達：“三大類”和“四部分”
激光雷達按重點提供的內容可以分為三大類：
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一類是類似毫米波雷達，重點提供目標的速度、距離和方位角，如 IBEO 的 4 線或單線激光雷達，某些固態激光雷達也是如此，如通用剛剛收購的 Strobe。
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一類是以三維坐標數據合成點雲數據為重點輸出內容，如 Velodyne 的 16、32、64 線激光雷達，還有固態單光子激光雷達。
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最後一類是 2 維或 3 維圖像為重點輸出內容的激光雷達，大多數 Flash 固態激光雷達都是如此。
當然 64 線激光雷達也可以輸出 3 維灰度圖像，但目前 64 線激光雷達的首要應用還是點雲，某些固態激光雷達也能在輸出圖像同時提供目標的速度和距離但首要應用還是圖像。
這些種類繁多的激光雷達常讓人迷惑，但從零部件上劃分，總體可分為 4 部分，即發射端、接收端、光學掃描器和光學天線。
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發射端主要是激光器，NdYAG 固體激光器、CO2 氣體激光器和 GaAlAs 半導體二極管激光器、光纖激光器等最具有代表性。
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接收端又可以叫光電探測器，主要有 PIN 光電二極管、矽雪崩二極管 (SiAPD)、矽光電倍增器（SiPM，又叫 MPPC），光電導型碲鎘汞 (HgCdTe) 探測器和光伏型碲鎘汞探測器。
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光學天線則有透射式望遠鏡（開普勒、伽利略），反射式望遠鏡（牛頓式、卡塞哥倫），收發合置光學天線，收發分置光學天線，自由空間光路，全光纖光路，波片（四分之一、二分之一）分束鏡、合束鏡、布魯斯特窗片。
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光學掃描器則有圓柱形（Velodyne），6-12 麵多麵體型，聲子偏轉器，壓電掃描器，光柵掃描器，光學相位掃描器，MEMS 鏡掃描器。
固態激光雷達大多源自三維圖像傳感器的研究，這種傳感器實際源自紅外焦平麵成像儀，焦平麵探測器的焦平麵上排列著感光元件陣列，從無限遠處發射的紅外線經過光學係統成像在係統焦平麵的這些感光元件上，探測器將接受到光信號轉換為電信號並進行積分放大、采樣保持，通過輸出緩衝和多路傳輸係統，最終送達監視係統形成圖像。
大部分固態激光雷達則是主動發射激光，激光到達目標後反射回光線到達焦平麵。也有某些低成本設計，幹脆采用紅外二極管發射紅外光波，這種已經不能算嚴格意義上的激光雷達。
「線性模式」與「蓋革模式」
實際上，傳統的 CCD 或 CMOS 圖像傳感器也是這樣的原理，隻不過它們是接收自然光，除此之外唯一的差異在於接收端，CCD 或 CMOS 圖像傳感器使用的是 PN 型二極管，旋轉掃描型激光雷達是使用 PIN 型，而固態激光雷達一般是使用雪崩二極管 APD。
PN 型二極管更容易做到低成本和高像素，但是增益較低，動態範圍窄。APD 是一種半導體光檢測器, 其原理類似於光電倍增管，在加上一個較高的反向偏置電壓後 (在矽材料中一般為 100 到 200 V)，利用電離碰撞 (雪崩擊穿) 效應, 可在 APD 內部獲得電流增益。
APD 的工作模式分為線性模式和蓋革模式兩種。當 APD 的偏置電壓低於其雪崩電壓時, 對入射光電子起到線性放大作用, 這種工作狀態稱為「線性模式」。
在線性模式下，反向電壓越高，增益就越大。APD 對輸入的光電子進行等增益放大後形成連續電流，獲得帶有時間信息的激光連續回波信號。
當偏置電壓高於其雪崩電壓時，APD 增益迅速增加，此時單個光子吸收即可使探測器輸出電流達到飽和，這種工作狀態稱為「蓋革模式」。
在蓋革模式下，單個光子即可使 APD 的工作狀態實現開、關之間的轉換, 形成一個陡峭的回波脈衝信號, 因而具備單光子成像的能力。
總的來說，蓋革模式 APD 具有單光子探測能力, 但是其需要淬火電路，且虛警率較高，而線性模式 APD 雖然能夠獲得目標的灰度信息, 但是也有相對蓋革模式增益較低的缺點。蓋革模式下一般稱之為「單光子激光雷達」。
單光子激光雷達是一種能夠徹底顛覆空戰格局的雷達，由於其靈敏度極高，探測距離理論上可以非常遠，三千公裏都不成問題，這點在軍事上非常有價值，F－22、B－2 等飛機高超的隱身性能，幾乎使現役雷達和光電探測係統變成「瞎子」。
但單光子探測係統極高的探測靈敏度，即使對 F－22、B－2 這樣的隱身飛機，作用距離也可達到幾百到幾千公裏，可在極遠距離上發現隱身飛機，使其「無處遁形」。利用空中平台或臨近空間平台配裝單光子探測係統，構建單光子探測網絡，隻需幾部單光子探測係統就可實現對領空的全域覆蓋。
在此基礎上用地麵或空中遠程導彈構建空中地麵聯合火力網，把單光子探測網絡作為網絡中心戰的目標探測網絡係統，可對任何位置（地麵或空中）發射的導彈進行目標指引，有效攻擊全球目標，實現「全球感知，全球打擊」。將空戰由超視距作戰改為超超視距作戰。
單光子激光雷達用在自動駕駛上，將提供超高密度的點雲，達到 128 線甚至 256 線的效果，當然，它無法做到 360 度。
*圖為 APD 3D 成像原理圖
自 1993 年開始，美國國防部開始資助美國 MIT 的林肯實驗室開發單光子激光雷達，這也是目前全球最優秀的單光子激光雷達供應者，1998 年林肯實驗室推出第一代樣機。第一代樣機原理圖如下：
2001 年推出第二代，2003 年推出第三代。2010 年則首次將單光子激光雷達裝在噴氣式飛機上實驗。係統掛載在噴氣式飛機機腹位置, 對地麵進行主動激光照射並三維成像，同時在係統內融合 GPS /IMU 信息， 實現對地麵的偵察與測繪。
探測器是 32 × 128 的 InP /InGaAsP 蓋革 APD，激光器工作波長為 1500nm，能夠全天時在 3 公裏高空對地麵進行 2000 km /h 的快速三維成像, 距離精度為 0.3 m。
*對地成像
此後直到 2015 年，MIT /LL 在激光三維成像雷達方麵的研究工作主要集中在開發性能更佳的近紅外波段響應 InP /InGaAs APD 陣列。近紅外波段的激光人眼安全並具備隱蔽性, 能夠通過提高功率的方式獲得更佳的探測性能。
目前林肯實驗室可以提供 256*256 精度，預計到 2018 年可以達到 1024*1024 的精度，完全達到實用級別。2003 年日本防衛省科技研究院實驗成功了 35*35 精度的單光子激光雷達，目前估計也達到 256*256 的精度，但已經屬於軍事機密。
2005 年德國知名導彈製導係統大廠，代傲國防係統實驗室完成單光子激光雷達識別導彈真假彈頭的實驗，有助於遠距離啟動攔截導彈。
單光子激光雷達與線性固態激光雷達
上圖是豐田於 2013 年開發的基於 SiSPAD （矽單光子）的激光雷達原型。水平角分辨率高達 0.05 度，水平 FOV 為 170 度，垂直 FOV 較差，僅為 4.5 度。采用了少見了 870 納米激光，脈衝帶寬為 4 納秒，每秒高達 8 億 TOF，雲點數為 326400，雲點密度大約是 Velodyne VLP16 的 13 倍。
單光子激光雷達缺點是，存在死時間效應。GM（蓋革）-APD 飽和後需要一定時間才能恢複原來狀態，為使其可以連續正常工作需要采用淬火電路對雪崩進行抑製。此外，GM-APD 有極高的靈敏度，其最噪聲因素更加敏感，通道之間串擾更嚴重。
線性模式 APD 陣列的優點如下：光子探測率高，可達 90% 以上；有較小的通道串擾效應； 具有多目標探測能力； 可獲取回波信號的強度信息； 相比於 GM-APD，LM-APD 對遮蔽目標有更好的探測能力。
缺點是靈敏度低於 GM-APD；讀出電路的複雜度大於 GM-APD（需對輸入信號進行放大、濾波、高速采樣、閾值比較、存儲等操作）。
單光子的優點主要是雲點高密度和適應載體（飛機或導彈）的高速移動，還有就是讀出電路簡單，周邊電路成本低，缺點是信噪比不夠高，也沒有激光回波的強度信息，也就是無法取得灰度圖像，也無法單靠強度就識別樹木，草地，建築物和道路，也很難對應多個目標。
線性 APD 的缺點是讀出電路複雜，成本高。再有就是單光子屬於敏感的軍用元件，全球各國都嚴格控製，不易取得穩定，大量的供應渠道。因此豐田在 2017 年還是轉向線性 APD，投資了 Luminar。
線性 APD 固態激光雷達起源自美國 NASA 的火星探測計劃，為保證飛行器在火星表麵安全著陸，需要一套三維成像雷達係統，為飛行器降落選擇合適的著陸點。
這項工作在 2003 年委托 ASC（Advanced Scientific Concepts） 公司負責，2005 年 ASC 開始為 NASA Langley Research Center(LaRC) 研製自主著陸和避險係統 (Autonomous Landing and Hazard Avoidance technology，ALHAT) 的三維成像雷達係統 GoldenEYE。
2013 年, 該係統掛載在火星漫遊車著陸器原型機夢神號 (Morpheus) 上, 在地麵模擬月球表麵環境測試, 探測器分辨率為 128 × 128，激光器單脈衝能量為 11 mJ, 接收光學係統視場角為 3 度, 幀頻為 5 Hz｡
飛行器在 200 米以上高空落體, 可以完成在有障礙物的場地自主著陸蔽障工作｡ 在激光功率一定的情況下, 可以通過將 128 × 128 像元合並為 11 ×11 像元, 通過合並像元的方式提高信噪比, 使雷達成像距離由 1. 8 公裏 提升至 20 公裏, 完成飛行器的全程自主著陸控製｡
ASC 在 2016 年被德國大陸汽車係統公司收購，在 2017 年展出了針對自動駕駛的 3 維成像固態激光雷達。大陸未公布詳細參數，推測其最遠距離可達 500 米，分辨率達到 256*256。年量產達到 10 萬級的話，成本估計在 150 到 200 美元。
但是就目前來看，由於 APD 陣列的非均勻性造成的大多數線性 APD 都隻能獲得距離像，灰度圖像依然存在很多問題。下一步的發展是進一步提高線性 APD 的像元數量並增強一致性，並提高分辨率。
國內固態激光雷達十分落後，都停留在科研院所原型機階段（包括中科院上海技物所、哈爾濱工業大學、北京理工大學、桂林理工大學、中科院長光所、南京大學等高校），目前最多能達到 8*8 的分辨率，與國外有 15 到 20 年的差距。
本文作者：周彥武
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最後更新：2017-11-06 16:04:37