《單元器件集成在激光雷達(dá)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(dá)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(dá)中 123861摘要 13764一、激光雷達(dá)原理 125054二、激光雷達(dá)現(xiàn)有局限性

221470三、單元器件集成在激光雷達(dá)中的相關(guān)技術(shù) 25138（1）激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu) 318120（2）激光雷達(dá)的種類 329411（3）激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 5摘要與基于無(wú)線電波的雷達(dá)探測(cè)技術(shù)不同，激光雷達(dá)利用激光進(jìn)行探測(cè)。由于光的波長(zhǎng)比無(wú)線電波小十萬(wàn)倍，因此激光雷達(dá)擁有更高的探測(cè)精度。對(duì)于機(jī)器人等應(yīng)用，傳統(tǒng)無(wú)線電雷達(dá)由于精度不高而往往使機(jī)器人無(wú)法精準(zhǔn)感知細(xì)微物件。而如果裝備了高探測(cè)分辨率激光雷達(dá)，機(jī)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(dá)還主要應(yīng)用在無(wú)人駕駛汽車、地形和海洋測(cè)繪、無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：?jiǎn)卧骷?；激光雷達(dá)；無(wú)人駕駛一、激光雷達(dá)原理激光雷達(dá)能夠同時(shí)獲取被探測(cè)單元與發(fā)光元件之間的距離和方位信息，并生成一個(gè)完整的三維模型。其原理是激光雷達(dá)系統(tǒng)向外界環(huán)境發(fā)射出激光束，激光束遇到被探測(cè)物體后發(fā)生反射并被系統(tǒng)檢測(cè)。通過(guò)激光從發(fā)射到激光信號(hào)被反射回來(lái)，這其中的時(shí)間差，根據(jù)其速度可以精確計(jì)算出這之間的距離；經(jīng)過(guò)提取反射激光的特定信號(hào)如獲取多普勒頻移參量等，可以獲得被測(cè)物的速度或者材料等特性。最后通過(guò)對(duì)探測(cè)激光束進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊環(huán)境的全方位探測(cè)，從而創(chuàng)建出全景的三維模型。圖1為單片集成激光雷達(dá)傳感器二、激光雷達(dá)現(xiàn)有局限性

現(xiàn)有大多數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)，如廣泛用于自動(dòng)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(kuò)展探測(cè)視場(chǎng)的目的，這些激光/接收模塊采用的還是旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)。這樣一來(lái)，不但結(jié)構(gòu)件會(huì)發(fā)生機(jī)械的上下震動(dòng)，限制了激光雷達(dá)的掃描速率，還增加了系統(tǒng)的尺寸和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，使系統(tǒng)難以長(zhǎng)時(shí)間可靠地運(yùn)行，更不用說(shuō)在極端環(huán)境中系統(tǒng)的壽命會(huì)大為減短。此外，如今商用的高端激光雷達(dá)系統(tǒng)價(jià)格從1000美元到70000美元不等，這對(duì)于一些低成本的應(yīng)用而言這無(wú)疑太過(guò)于昂貴。三、單元器件集成在激光雷達(dá)中的相關(guān)技術(shù)激光雷達(dá)包括一個(gè)激光發(fā)射機(jī)和一個(gè)激光接收機(jī)，該發(fā)射機(jī)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(shí)會(huì)被反射，由接收機(jī)接收，接收機(jī)根據(jù)每次發(fā)射和返回的時(shí)間，生成一套高品質(zhì)的光束傳遞雷達(dá)，它能在一秒鐘內(nèi)發(fā)射超過(guò)二百余道激光光束。圖2不同激光束形成的激光點(diǎn)云在激光的波長(zhǎng)方面，現(xiàn)在主要采用九百零五納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和一千五百五十納米標(biāo)準(zhǔn)的波長(zhǎng)的激光發(fā)射機(jī)，一千五百五十納米標(biāo)準(zhǔn)的波長(zhǎng)很難通過(guò)人體的液體進(jìn)行傳播。因此一千五百五十納米標(biāo)準(zhǔn)的波長(zhǎng)可以大幅度地增加發(fā)射功率，同時(shí)又能確保安全性。功率越大，探測(cè)距離越長(zhǎng)，抗干擾性越強(qiáng)。然而，一千五百五十納米標(biāo)準(zhǔn)的波長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)集激光。采用控制功率和脈沖時(shí)間的方法，確保了系統(tǒng)的安全。（1）激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)激光雷達(dá)根據(jù)信號(hào)處理的信號(hào)鏈，光驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(cè)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(shí)，其成本也在急劇下降。但是，在激光雷達(dá)中，光學(xué)部件和轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的價(jià)格卻很高，這就變相提高了雷達(dá)的整體制造成本。圖3激光雷達(dá)的關(guān)鍵部件（2）激光雷達(dá)的種類現(xiàn)如今，市場(chǎng)上的激光雷達(dá)類型多種多樣，根據(jù)驅(qū)動(dòng)模式分為可靠機(jī)械形式、微系統(tǒng)形式、相控陣激光形式。機(jī)械式就拿Velodyne公司在本世紀(jì)初期年推出的六十四陣列雷達(dá)來(lái)說(shuō)吧。它將六十四個(gè)激光垂直排列，每分鐘旋轉(zhuǎn)二十余下。簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是把激光點(diǎn)轉(zhuǎn)換成直線，用六十四條線疊加，把直線變成平面，獲得點(diǎn)云端數(shù)據(jù)量，從而獲得三維環(huán)境的信息。機(jī)械結(jié)構(gòu)要求精密，而點(diǎn)云測(cè)量要求準(zhǔn)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(shí)間平均只有大約一千到三千個(gè)小時(shí)，很難滿足汽車工廠的最低使用壽命。而且因?yàn)闄C(jī)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(wèn)題。所以機(jī)械結(jié)構(gòu)的造價(jià)和推廣都受到了很大的制約。MEMS微系統(tǒng)激光雷達(dá)采用微電子學(xué)技術(shù)來(lái)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(cè)器具有快速、高分辨率、較好的溫度、震動(dòng)等特點(diǎn)；利用波束控制，可以將探測(cè)點(diǎn)（點(diǎn)云）進(jìn)行任何分配，比如在高速公路上，重點(diǎn)掃描前面的遠(yuǎn)距離，對(duì)側(cè)向的稀疏掃描，但不能完全忽視，在交叉路口進(jìn)行側(cè)向掃描。而機(jī)械的光束探測(cè)器，只能以均勻的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，根本做不到這樣的精密動(dòng)作。法雷奧的SCALA光束探測(cè)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(jí)別的第一款無(wú)人駕駛汽車）。它的光束探測(cè)雷達(dá)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(dá)探測(cè)技術(shù)，可獲得超廣角度的掃描角，檢測(cè)范圍為八十余米。圖4奧迪A8的激光雷達(dá)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(guò)調(diào)整縫隙間的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)。其工作的基本原理如下圖所示圖5相控陣?yán)走_(dá)的原理（3）激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)LiDAR由于數(shù)據(jù)量較大，當(dāng)前的控制架構(gòu)中，基本采用將每個(gè)光點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)發(fā)回到中央控制器處理，所以通常會(huì)采用FlexRay或以太網(wǎng)此類高帶寬的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(shí)，通常會(huì)提供支持三種時(shí)間同步接口。1)局域網(wǎng)時(shí)鐘協(xié)議同步，根據(jù)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)協(xié)議，利用以太網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量和系統(tǒng)控制，使其達(dá)到準(zhǔn)確的時(shí)鐘同步。2)利用同步信號(hào)線路來(lái)實(shí)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(shí)間坐標(biāo)同時(shí)進(jìn)行的。就拿現(xiàn)在最常用的旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，它的數(shù)據(jù)是十赫茲，也就是機(jī)載激光掃描在零點(diǎn)一秒的時(shí)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(dāng)前扇區(qū)的全部數(shù)據(jù)，包括每一點(diǎn)的時(shí)間標(biāo)記，每一點(diǎn)的超量數(shù)據(jù)，每一點(diǎn)的輻射強(qiáng)度，以及激光發(fā)射器的地址等等。而最新的激光雷達(dá)，則是由多個(gè)回聲和噪點(diǎn)組成的。