激光雷達中激光應用實探：參數決定激光光源的選擇

對於LiDAR（激光雷達）來說，一種類型的激光並不能適用於所有情況：系統設計者需了解實際應用環境及性能需求後，才能對光源進行選擇。

據麥姆斯諮詢報道，對激光探測和測距（LiDAR）系統、服務於自動駕駛汽車產業的零部件製造商來說，合併及收購活動極其瘋狂，同時其他行業也加入LiDAR狂熱大軍。

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LiDAR系統使用脈衝激光照射目標區域，並測量反射信號返回接收器所需的時間。LiDAR系統一般包括：激光源或其它發射器、靈敏的光電探測器或其它接收器、同步和數據處理電子系統、運動控制設備或微機電系統（MEMS）掃描鏡（二選一），均是基於精確的激光掃描組件並可用於創建3D地圖或收集近距離數據。

LiDAR系統簡示圖

LiDAR工作原理圖

據麥姆斯諮詢介紹，在這些所需的組件中，激光本身就有助於提升整個系統的性能。比如，激光光束質量和發散角是負責LiDAR製圖的橫向（x軸和y軸）解析度，而短脈衝持續時間和時間抖動則是負責縱向（z軸）的精度。再比如，脈衝能量是實現長程的關鍵參數，而高脈衝重複率則可提升掃描速度並提高數據吞吐量。

激光性能考量因素

高峰值功率（幾十千瓦至幾十兆瓦）脈衝（納秒範圍）的固態激光器已用於LiDAR數十年，尺寸、重量、成本、功耗、液體冷卻、衝擊與振動靈敏度，以及極端環境限制了LiDAR儀器在移動設備、空中和空間應用中的發展。但像義大利Bright Solutions這樣的公司，近日開發出新一代高功率、亞納秒、通過空氣或熱傳導冷卻的Q開關固態激光器。此類激光器可打破以往的限制，並提供從紫外線到近紅外的多種激光波長。

Bright Solutions公司的固態激光器

對於機載地形測繪，通常使用波長約為1μm的激光光源，這種波長可使光波在保證用眼安全的前提下將投射範圍擴展到足夠大。而對於海洋測繪（即海底和沿海地區的高解析度測繪），常使用一種高能量的、頻率倍增的532 nm的激光光源，這是由於綠色光的波長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。

機載地形測繪示意圖

如果單考慮成本和能耗，532 nm至1 μm的波長通常是有益的，但若要達到相對較遠的距離，激光的強度就很容易超過1類激光安全極限。這種情況下，如果光波沒有達到符合用眼安全的直徑（從而增加系統尺寸），激光發射就會對人眼造成傷害。

不同波長激光眼損傷部位

民用和商業應用中，保證用眼安全的激光器在高性能緊湊型LiDAR中越來越受歡迎。在用眼安全的波長範圍內，當在地形測繪和避障中探測固體時，通常需要約紅外激光器發射1.5 μm的波長。事實上，大氣情況良好時，探測器在1.5 μm範圍內是非常高效的。或者，約355 nm或更短的紫外線波長是保證用眼安全的大氣LiDAR系統的最佳選擇，因為大氣微粒有相對較高的反向散射係數。

除了考慮波長，脈衝持續時間是否也很重要？理想情況下，LiDAR的設計者們希望達到毫米到厘米級的縱向測量解析度，因此應該考慮短脈衝持續時間。即便如此，非常短的脈衝（約幾皮秒）也會導致激光光譜和接收機帶寬的擴大，從而使信噪比變差。另一方面，脈衝超過1納秒，雜訊減少，但解析度也會降低。使脈衝持續時間達到約幾百皮秒（或亞納秒），這是高縱向精度和信噪比的最佳權衡方案。

這裡我們詳細介紹自動駕駛車輛LiDAR的激光選擇。

自動駕駛車輛LiDAR

據ABI Research最近的一項調查顯示，到2026年1月，汽車上的LiDAR設備數量將達到6900萬部。正如Keopsys集團（拉尼翁，法國）的Frederic Chiquet、研發經理Guillaume Canat和首席執行官Marc le Flohic所解釋的那樣，現存兩類主要的自動駕駛汽車LiDAR系統：3D Flash LiDAR和掃描式LiDAR。

Flash LiDAR使用的是廣角發射源和廣角光學系統（例如魚眼鏡頭），將在單個發射過程中獲得的反散射光集中於矩陣探測器上，以獲得用於模擬車輛周圍區域的所有飛行時間（ToF）數據。相反地，掃描式LiDAR可以逐行地處理3D環境；光在每個方向上依次發射，對應的回聲由探測器逐個檢測。符合用眼安全的激光源必須以脈衝模式工作，光束需強大到能夠探測到100米外穿深色衣服的行人，工作溫度為-40到85°C，並且可發射出測距精度達10厘米的脈衝。

許多LiDAR光源是基於激光二極體，也有非製冷光纖激光器，較激光二極體有諸多的優勢，如擁有高功率光束分裂和使用光纖路由到多個感測器位置的能力。使用主振蕩器功率放大器（MOPA）結構中，一種典型的1550 nm LiDAR的光纖激光器的脈衝重複率達到5~250 kHz，功率水平分別為10~15 kW和200~300 W。

脈衝激光二極體和光纖激光源用於自動駕駛汽車LiDAR的應用對比研究如下。

自動駕駛車輛LiDAR應用中脈衝激光二極體和光纖激光器來源的比較

（來源：Keopsys集團）

專用於自動駕駛汽車的脈衝激光二極體是混合器件。激光晶元安裝在由MOSFET晶體管觸發的電容器中。每當晶體管的柵極開啟時，電容器內積累的電荷就會被釋放到晶元中，從而釋放出光脈衝。儘管此類型光源的性價比不錯，相比昂貴的1550nm InGaAs光電二極體，其905 nm的輸出很容易被硅探測器檢測到，但激光二極體具有有限的脈衝重複率和較低的峰值功率，並且受到過熱效應的限制。

3D Flash LiDAR的激光二極體光源是基於二極體堆疊技術，用幾個邊緣發射器垂直封裝在一起，每層之間均由一層薄的散熱片隔開以防內部過熱。不幸的是，非相干堆疊增加會導致輸出功率高，這樣通常不能滿足1類用眼安全的需求。儘管VCSEL是一種比疊加技術性價比更高的替代方案，但其較弱的輸出功率將其限制在短程ToF的應用中。

詳情及報名：www.MEMSeminar.com

相關報告：

《汽車MEMS和感測器市場及技術趨勢-2017版》

《激光雷達市場-2016版》

《LeddarTech固態激光雷達（LiDAR）模組：LeddarVu》

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