《单元器件集成在激光雷达中的相关技术研究》2600字（论文）

单元器件集成在激光雷达中的相关技术研究目录TOC\o"1-2"\h\u17403单元器件如何集成在激光雷达中 123861摘要 13764一、激光雷达原理 125054二、激光雷达现有局限性

221470三、单元器件集成在激光雷达中的相关技术 25138（1）激光雷达的结构 318120（2）激光雷达的种类 329411（3）激光雷达的数据传输技术 5摘要与基于无线电波的雷达探测技术不同，激光雷达利用激光进行探测。由于光的波长比无线电波小十万倍，因此激光雷达拥有更高的探测精度。对于机器人等应用，传统无线电雷达由于精度不高而往往使机器人无法精准感知细微物件。而如果装备了高探测分辨率激光雷达，机器人就可以轻松分辨并抓取复杂微小的物件。此外，激光雷达还主要应用在无人驾驶汽车、地形和海洋测绘、无人机等领域。关键词：单元器件；激光雷达；无人驾驶一、激光雷达原理激光雷达能够同时获取被探测单元与发光元件之间的距离和方位信息，并生成一个完整的三维模型。其原理是激光雷达系统向外界环境发射出激光束，激光束遇到被探测物体后发生反射并被系统检测。通过激光从发射到激光信号被反射回来，这其中的时间差，根据其速度可以精确计算出这之间的距离；经过提取反射激光的特定信号如获取多普勒频移参量等，可以获得被测物的速度或者材料等特性。最后通过对探测激光束进行动态转向，可以实现对周边环境的全方位探测，从而创建出全景的三维模型。图1为单片集成激光雷达传感器二、激光雷达现有局限性

现有大多数激光雷达系统，如广泛用于自动驾驶中的系统，其自由空间光学组件像激光器、接收透镜和接收处理模块等往往是离散的。而出于扩展探测视场的目的，这些激光/接收模块采用的还是旋转设计。这样一来，不但结构件会发生机械的上下震动，限制了激光雷达的扫描速率，还增加了系统的尺寸和设计的复杂性，使系统难以长时间可靠地运行，更不用说在极端环境中系统的寿命会大为减短。此外，如今商用的高端激光雷达系统价格从1000美元到70000美元不等，这对于一些低成本的应用而言这无疑太过于昂贵。三、单元器件集成在激光雷达中的相关技术激光雷达包括一个激光发射机和一个激光接收机，该发射机以发射光束的形式向外辐射，随着层数的增加，其精确度也随之提高（见图2)，但这也就意味着，该感应器的体积变大了。激发装置发射光束之后，激光在碰到障碍时会被反射，由接收机接收，接收机根据每次发射和返回的时间，生成一套高品质的光束传递雷达，它能在一秒钟内发射超过二百余道激光光束。图2不同激光束形成的激光点云在激光的波长方面，现在主要采用九百零五纳米技术标准和一千五百五十纳米标准的波长的激光发射机，一千五百五十纳米标准的波长很难通过人体的液体进行传播。因此一千五百五十纳米标准的波长可以大幅度地增加发射功率，同时又能确保安全性。功率越大，探测距离越长，抗干扰性越强。然而，一千五百五十纳米标准的波长激光器需要铟镓砷，因此在生产上有一定的难度。因此目前大量采用硅材料生产九百零五纳米技术标准集激光。采用控制功率和脉冲时间的方法，确保了系统的安全。（1）激光雷达的结构激光雷达根据信号处理的信号链，光驱动信号，光束发射二极管，射出光学透镜，雪崩式光电二极管，可变跨导放大器，以及检测器。这些元件，包括射出光束和接收光学透镜之外的所有电子元件。随着科学技术的迅猛发展以及更新迭代，其性能在不断提高的同时，其成本也在急剧下降。但是，在激光雷达中，光学部件和转动设备的价格却很高，这就变相提高了雷达的整体制造成本。图3激光雷达的关键部件（2）激光雷达的种类现如今，市场上的激光雷达类型多种多样，根据驱动模式分为可靠机械形式、微系统形式、相控阵激光形式。机械式就拿Velodyne公司在本世纪初期年推出的六十四阵列雷达来说吧。它将六十四个激光垂直排列，每分钟旋转二十余下。简单的说，就是把激光点转换成直线，用六十四条线叠加，把直线变成平面，获得点云端数据量，从而获得三维环境的信息。机械结构要求精密，而点云测量要求准确的安装位置。由于受到环境及老化等因素的影响，其失效时间平均只有大约一千到三千个小时，很难满足汽车工厂的最低使用寿命。而且因为机载激光扫描他是安装在汽车的顶盖之上，因此需要在民用方面考虑诸如汽车清洗等外部保养问题。所以机械结构的造价和推广都受到了很大的制约。MEMS微系统激光雷达采用微电子学技术来控制旋转镜面，使激光光束在不同方向上反射。固体光束探测器具有快速、高分辨率、较好的温度、震动等特点；利用波束控制，可以将探测点（点云）进行任何分配，比如在高速公路上，重点扫描前面的远距离，对侧向的稀疏扫描，但不能完全忽视，在交叉路口进行侧向扫描。而机械的光束探测器，只能以均匀的速度转动，根本做不到这样的精密动作。法雷奥的SCALA光束探测器是一种具有代表性的应用。现在，它被用于奥迪A8(L3级别的第一款无人驾驶汽车）。它的光束探测雷达显示器就安装在汽车的前脸之上，使用的就是微系统雷达探测技术，可获得超广角度的扫描角，检测范围为八十余米。图4奥迪A8的激光雷达相控阵（OPA）光相控阵的基本原理：它是以光学干扰为基础的。在光栅衍射后，中心明纹（主瓣）的位置可以通过调整缝隙间的相位差来实现。其工作的基本原理如下图所示图5相控阵雷达的原理（3）激光雷达的数据传输技术LiDAR由于数据量较大，当前的控制架构中，基本采用将每个光点的原始数据发回到中央控制器处理，所以通常会采用FlexRay或以太网此类高带宽的网络进行通讯。如法雷奥的SCALA在1代采用Flexray，2代则开始使用以太网。LiDAR通常从硬件层面支持授时，通常会提供支持三种时间同步接口。1)局域网时钟协议同步，根据准确的计时协议，利用以太网进行测量和系统控制，使其达到准确的时钟同步。2)利用同步信号线路来实现数据同步的脉冲同步。3)全球定位系统同步，其数据同步是由全球定位系统与格林威治时间坐标同时进行的。就拿现在最常用的旋转激光雷达来说，它的数据是十赫兹，也就是机载激光扫描在零点一秒的时间里旋转一周，然后把硬件的数据分成不同的数据包，每一块数据包都是当前扇区的全部数据，包括每一点的时间标记，每一点的超量数据，每一点的辐射强度，以及激光发射器的地址等等。而最新的激光雷达，则是由多个回声和噪点组成的。