【技术专栏】从光电技术角度看自动驾驶

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光束发散取决于波长和发射天线尺寸(微波雷达)或透镜孔径大小(激光雷达)的比值。微波雷达这一比值较大，因此发散度更大，角度分辨率较低。图中微波雷达（黑色）将无法区分这两辆车，而激光雷达（红色）可以。

对汽车激光雷达系统设计者来说，最关键的选择之一是光波长。制约这一选择的因素有几个：

· 对人类视觉的安全性

· 在大气中的传播特性

· 激光的可用性和光电探测器的可用性

两种最流行的波长是905和1550 nm，905nm的主要优点是硅在该波长处吸收光子，而硅基光电探测器通常比探测1550 nm光所需的铟镓砷(InGaAs)近红外探测器便宜。

可用于自动驾驶激光雷达的滨松 近红外MPPC（硅光电倍增管） ， 在905nm处具有较高的探测效率，响应速度快，工作温度范围宽，适合各种场合下的激光雷达应用，尤其是使用TOF测距法的长距离测量。

然而，1550nm的人类视觉安全度更高，可以使用单脉冲更大辐射能量的激光——这是光波长选择的一个重要因素。

1550nm 探测器

滨松InGaAs APD G8931

大气衰减（在所有天气条件下）、空气中粒子的散射以及目标表面的反射率都与波长有关。由于有各种各样可能的天气条件和反射表面，对于这些条件下汽车激光雷达波长的选择来说是一个复杂的问题。在大多数实际情况下，905 nm处的光损失更小，因为在1550 nm处的水分的吸收率比905 nm处要大。 ¹

光探测器的选择

只有一小部分脉冲发射的光子可以到达光电探测器的有效区域。如果大气衰减沿脉冲路径不变化，激光光束发散度可忽略不计，光斑尺寸小于目标，入射角垂直于探测器且反射体是朗伯体（所有方向均反射），则光接收峰值功率P(R)为：

P ₀ 是发射激光脉冲的光峰值功率，ρ是目标的反射率，A ₀ 是接收器孔径面积，η ₀ 是光学系统透过率，γ是大气消光系数。

该方程表明，随着距离R的增加，接收功率迅速减小。为了合理选择参数，R=100 m，探测器的活动区域上返回光子的数量大约是几百到几千，而通常发射的光子超过10 ¹² 。这些回波光子与背景光子同时被探测，而背景光子没有任何有用信息。

采用窄带滤波器可以减少到达探测器的背景光，但不能减少到零，背景光的影响使检测动态范围减小，噪声（背景光子拍摄噪声）增大。值得注意的是，典型条件下地面太阳辐照度在1550 nm处小于905 nm。

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