电磁波光谱、激光雷达和毫米波雷达

本文摘自：

 

电磁波与光谱

电磁波是以波动形式传播的电磁场。相同方向且相互垂直的电场和磁场。电磁波的传播，不依赖于介质，就算在真空中，也可以传播。

波长越长，绕射的能力越强，例如无线电波（波长大于1mm）可以绕过高楼大厦传播。

 

激光雷达

激光雷达（Light Detection and Ranging，Lidar）是一种光学遥感技术，通过向目标照射一束光，通常是一束脉冲激光，来测量目标的距离等参数。

雷达（Radio Detection and Ranging，Radar）是指无线电的探测和测量。其实这两者工作原理相似，区别在于发射信号不同，Lidar采用的是脉冲激光（脉冲式的），而Radar采用的是无线电波（连续波）。脉冲式的雷达通过脉冲发送和接收的时间差来确定目标的距离，无法测量目标的速度，但是Lidar具有优异的方位分辨率，能够精确地检测到与周围障碍物的距离和位置关系，并能实时检测到具有低无线电波反射率的物体 (标志，树木等)；Radar的无线电波比Lidar的激光波长，其返回的物体图像不如Lidar精确，但它覆盖远距离、具有强穿透性，可在雨，雪，尘土等恶劣环境中返回信息。

激光雷达中常用的波长有850nm，905nm和1550nm，都属于红外光的范围。

850nm的激光雷达一般用于近距。因为容易发生红暴，红暴是由于所发射的红外线中包含可见光的成分。900nm以上的红外线基本无红暴，波长越短，红暴越强，红外线感应度也越高。北醒TF02激光雷达是一款单点测距激光雷达，量程可达22m,可在室外强光下稳定工作。

传统激光雷达以905nm波长近红外激光为主，该波长激光器件相对成熟，成本较低，但考虑到人眼安全要求，激光功率受到明显限制，同时太阳光中存在较多近红外背景光，传感器信噪比物理上受限，最大探测距离限制在150米左右。905nm产品有velodyne、速腾聚创、镭神等。

用于激光雷达的边发射激光器，最常用的是InGaAs/GaAs应变量子阱脉冲激光二极管(PLD, Pulsed laser diode)，波长以905 nm最为流行。

相较于1550 nm波长，905 nm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)近红外探测器更加成熟，从成本和整体成熟度方面来讲是大批量应用的必然选择，性价比更高。

1550 nm波长的激光光源也是某些车载激光雷达产品选择的光。原因是1550 nm激光远离人眼吸收的可见光光谱，相比于905 nm激光, 同等功率的1550 nm激光人眼安全性提高40倍。背景光干扰问题相对较小，可以实现远距离探测；同时采用相干技术，探测器只对自身发射的激光回波响应，信噪比远高于905nm-ToF激光雷达，最大探测距离可以达到1000米以上，特殊场景下可以达到数公里。

在相同人眼安全等级的功率下，905 nm激光雷达很难在200 m以外的高速公路上看到高度为10 cm左右的物体，但是1550 nm激光雷达却可以将检测距离提高到300 m以上。此外，1550 nm配合调频连续波(FMCW)的技术，不仅可以检测距离，同时可以利用多普勒频移来测量物体的速度。大气穿透能力强，人眼安全性高是1550 nm激光光源的显著特点，但是相较于905 nm激光雷达，1550 nm激光雷达在光源及探测器成本、体积以及供应链成熟度上还有明显的不足。

1550 nm激光雷达一般采用光纤激光器作为光源， 主要厂家有法国Lumibird、昂纳此外也有一些激光雷达公司采用自已开发的光纤激光器，如美国Luminar、镭神智能等。

车载激光雷达应用算法可分为三类：

  • 点云分割算法，这是目标跟踪与识别的基础；
  • 目标跟踪与识别算法，即实现对汽车周围障碍物运动状态和几何特征的判断；
  • 时定位与地图构建算法(SLAM)，即实现汽车的精确定位与可通行路径规划。

激光雷达的优点：

  • 测距精度、测距范围，以及对温度和光照的适应性都很好。

激光雷达的缺点：

  • 价格昂贵，成本高；
  • 激光雷达的探测光束容易受大气吸收、散射、折射效应的影响。

 

毫米波雷达

毫米波雷达，是工作在毫米波波段（millimeter wave ）的雷达，通常是指30～300GHz (波长为1～10mm) 频段。毫米波的波长介于厘米波和光波之间，与红外、激光、电视等光学雷达相比，毫米波雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候、全天时的特点。

毫米波雷达的工作原理：

  1. 发射毫米波信号：毫米波雷达通过振荡器产生频率逐渐增加的信号。这些信号以电磁波形式传播，经过障碍物后会反弹回来。

  2. 接收反弹信号：当反弹的电磁波遇到目标（例如车辆或物体）时，它会返回雷达系统。返回的波形与发出的波形之间存在频率差，这与目标的距离有关。

  3. 测量时延和频率差：通过测量反弹信号的时延和频率差，毫米波雷达可以计算出目标的距离和速度。

毫米波雷达可以实现自适应巡航控制（Adaptive Cruise Control），前向防撞报警（Forward Collision Warning），盲点检测（Blind Spot Detection），辅助停车（Parking aid），辅助变道（Lane change assistant）等高级驾驶辅助系统（ADAS）功能。

车载毫米波雷达是目前唯一的一型号全天时、全天候的车载雷达传感器，是实现自动驾驶的传感器方案中的标配。

目前汽车毫米波雷达频率分为24GHz， 77GHz至79GHz 三种频段：

  • 24GH又称为短波雷达，感测距离从0.1５公尺至约30公尺左右，主要作为停车辅助(Parking Assist) ；
  • 77GHz感测距离从1公尺至约100公尺左右，主要作为盲点探测 (Blind Spot Detection) ，
  • 79GHz感测范围可到250公尺，因此运用在主动巡航系统(Adaptive Cruise Control)与汽车前向碰撞报警系统(Forward Collision Warning System)， 让车主有足够的时间来煞车或闪避。

毫米波雷达的优势：

  • 可以全天候工作，即不良天气、夜晚等环境下可以发挥作用，而激光雷达会受雨雪雾霾的影响；
  • 测距远，200 米以上都轻易胜任；
  • 成本较低，技术相对成熟。

毫米波雷达的缺点：

  • 分辨率低、较难成像，无法识别图像。因此不能作为激光雷达的替代品，而是激光雷达的重要补充设备。
 
 
 

 

posted @ 2023-12-11 12:20  Picassooo  阅读(316)  评论(0)  编辑  收藏  举报