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  • LiDAR 和光學濾波片 —— 幫助自動駕駛汽車看得更加清晰

    “‘方向盤’是什么?”如果有任何一個駕駛過、乘坐過或即便只是見過汽車的人,現在問出這個問題也會十分奇怪。但數十年后,這個問題可能就不會那么罕見了。隨著傳感系統和成像系統功能的日益強大和成本的持續降低,加之打造更加安全高效的運輸系統的強烈愿望,這一發展趨勢正全力驅動著自動駕駛汽車的發展進入快車道。LiDAR 是幫助這一發展能最終達到“5 級水平”自動駕駛的關鍵技術:沒有方向盤和制動踏板,駕駛過程也不再有人工干預。

    圖 1. 汽車自動化等級 —— 來源:美國汽車工程師學會 (SAE) 國際版 J3016,2014 年 1 月;圖中綠點線段表示目前最先進水平

    很多高端(中、低端正日益增多)車輛已經配備了可提供“1 級到 2 級水平”自動駕駛的高級駕駛輔助系統 (ADAS),用以幫助檢測/避免碰撞及發出車道偏離警告。這其中的一些原型車/試生產車型(如奧迪 8)可以達到完全離手運行的水平(“3 級水平”)。諸如谷歌 (Google)/ Waymo 和沃爾沃 (Volvo) 的一些公司認為,只有完全自動化的汽車才能增加對消費者的吸引力,而混合漸進的方法則做不到。在這種信念之下,這些公司直接跳過了過渡步驟,致力于開發具備“5 級水平”的完全自動駕駛汽車?!白灾髦R”已沖出了馬廄,再想關上門為時已晚。

    使自動駕駛成為可能

    汽車自動駕駛的根本在于車輛如何自動反應——根據環境進行導航、制動、加速、轉向;而不管其他車輛、路況、行人情況如何,或是否有其他不可預測的潛在障礙或風險。老話說:“如果你不能衡量它,那么你就不能管理它?!边@句話同樣適用于汽車的自動駕駛;車輛需要通過對其狀況和環境的精確傳感、成像和探測,在不斷動態變化的場景中衡量其環境和自身位置,以便管理路徑,安全通過整個道路基礎和周圍環境。

    有很多種傳感器技術均可幫助建立車輛及其周圍環境的動態 3D 地圖,但為自動轉向、自動加速和制動(即上路行駛)提供導航的三項關鍵技術是:雷達,攝像頭,以及最近的 LiDAR。這些技術都各有其利弊(參見圖 2)。

    圖 2. 用于自動駕駛汽車的成像傳感器技術

    雷達(包括中距和遠距離)可在所有光照和環境狀況下衡量最遠 200 米之內物體之間的距離和相對速度,但因為無線電波的波長較長且使用了寬波束,所以無法鑒別和解析所探測到物體的細節信息(例如摩托車前進的方向,行人是走近還是遠離車輛的行車路線)。

    光學攝像頭可以提供場景的精確圖像,但距離有限;不能提供距離和相對速度方面的信息,且只能在高可見度的良好光照條件下才能發揮作用。攝像頭所提供的視野幾乎就是人類駕駛員視野的重復,但我們想要且也需要比我們自己所見駕駛環境更佳的自動駕駛解決方案。

    在自動駕駛傳感技術領域中,LiDAR 算是嶄露頭角,但其本身卻遠遠稱不上是新技術。LiDAR 是“光探測和測距 (Light Detection and Ranging)”的首字母縮寫,作為一項防御技術于 50 年前被開創出來(用于安全測距和瞄準類應用場景)。

    從根本上說,LiDAR 包括從光源中發射光線(與雷達所用的無線電波截然不同)及測量返回光束。因所用波長(標準波長為 905 納米或 1550 納米)比無線電波短很多個數量級,所以可使截斷入射光的物體所形成的圖像有更高的分辨率。此外,與攝像頭不同的是,LiDAR 系統會照亮周邊環境,不再依賴于環境光線,不論在白天還是夜晚都能同樣良好運作。在低能見度狀況下(例如起霧或下雨),工作波長大于可見光波段也是一種優勢。當然雷達所用波長更長的無線電波在這種狀況下優勢則更為明顯。眼睛安全防護是使用激光照明時的另一個重要因素。1550 納米光源的低功率解決了這一問題。最后一點同樣重要,則是價格問題。雖然 LiDAR 系統的價格正在下降,但仍然比雷達或攝像頭選項要貴。雖然 905 納米 LiDAR 系統可使用在攝影技術領域常見的標準 CMOS 或 CCD 硅半導體探測器,但 1550 納米系統采用的銦鎵砷 (InGaAs) 探測器仍然要貴的多。隨著對這些更長波長探測器需求的增長,其價格預計會下降到可以商用的水平。

    LiDAR 系統中所采用的架構和方法也有若干不同,從微型機械鏡 (MEM) 到固態“閃光” LiDAR 等方面。但在大多數配置中,LiDAR 系統均使用飛行時間測距法來檢測與截斷照明光束的障礙之間的距離。飛行時間系統通過若干不同方法中的一種,測量出從發射脈沖光束至探測到反射返回光束所經過的時間,然后使用這個時間差值計算行進距離。

    距離 = 速度 [c/na] × 飛行時間 [(tr-tl)/ 2]

    c – 光速;na – 空氣折射率;tr – 脈沖返回時刻;tl – 脈沖發射時刻

    通過對周圍環境持續不斷的掃描,使用該飛行時間法的距離信息可以生成實時的三維點地圖。此 LiDAR 制圖解決方案的實現,意味著該地圖不僅能顯示出障礙物的存在,還能進行圖像識別以確認物體及其在環境中的運動狀態。舉例來說,如果物體是另一輛車,則能確認這輛車是停止還是運動的,以及它的運動方向(是駛近還是駛離本車的行駛路徑)。

    要讓這些探測系統正常運行并生產精確的圖像,探測器能夠在其他光源(如環境日光、街道照明、車前照燈甚至是其他 LiDAR 系統)中區分和辨別返回光束尤為重要。這就是光學濾波片的作用所在。

    請勿忘戴您的太陽鏡

    如果探測器是 LiDAR 系統的“眼睛”,那么光學濾波片就是“太陽鏡”——減少眩光,讓眼睛可以無背景干擾觀察所尋求的目標。在實際使用中,這意味著光學濾波片在上述系統中的兩種主要功能:a) 減少散射光、重影和背向反射;b) 提供波長的選擇性,阻擋除發射的 LiDAR 光束以外的所有光線到達探測器,為探測器提供“背景干擾更少的更多信號”。

    可以通過高效低損耗防反射 (AR) 鍍膜來減少反射/散射影像。這些鍍膜專為提供更低反射率 (< 0.5%) 而設計,適用于需要鍍膜的光學器件(鏡片、車窗、濾鏡)正常運行所需的波長和角度。

    波長選擇性需要一種更為復雜的光學濾波片,其高透射率波段(信號)要盡可能窄,而對其他外部光線(噪音干擾)有著波段寬泛的深度阻擋。在很多光學應用場景中,這種帶通濾波功能很常見。如上文所述,車用 LiDAR 系統通常使用 905 納米或 1550 納米波長運行。而不論采用哪一種波長,所需的帶通濾波片對“發射”的激光波段都會有很高 (> 90%) 的透射率。不同之處在于硅半導體探測器或銦鎵砷探測器運行所需的波長范圍(分別為 ~300 – 1100 納米和 ~900 – 1700 納米),因為這決定了背景“噪音”所需的深度(平均 < 0.01% 最佳(光密度為 4))阻擋范圍。

    圖 3. 905 納米帶通濾波片的光譜性能曲線

    要將 LiDAR 系統應用于汽車,系統中的幾個方面為光學濾波片和鍍膜的設計師和制造商帶來了特殊的挑戰。首先,挑戰之一就是運行環境。這些濾波片可能會經歷很寬泛的溫度范圍(零下 40℃ 到零上 80 ℃),特別是車窗所面臨的環境,還可能暴露在雨水、冰層、道路除冰鹽以及其他所有路上駕駛時所能遇到的元素環境中。這種不可控的環境因素推動了對熱穩定濾波片的需求,同樣還有對堅固可靠鍍膜組合濾波片的需求。此外,在車輛使用壽命內,這些濾波片需要在沒有維護和校準的情況下,在上述環境狀況中正常運行。好消息是,在光通信濾波器領域已經有了類似的擔憂(收錄于 Telcordia 公司的可靠性標準中),因此這些問題已經非常清晰明了,且大部分已由濾波片制造商解決,尤其是采用高能濺射沉積技術的薄層鍍膜濾波片。

    光學攝像頭可以提供場景的精確圖像,但距離有限;不能提供距離和相對速度方面的信息,且只能在高可見度的良好光照條件下才能發揮作用。攝像頭所提供的視野幾乎就是人類駕駛員視野的重復,但我們想要且也需要比我們自己所見駕駛環境更佳的自動駕駛解決方案。

    其次,很多 LiDAR 系統在探測器上采用了較寬的視場 (FOV),允許掃描更寬的場景,這就要求光學濾波片在一個更寬的角度范圍中發揮功能,且不能有性能損失。多層干涉薄膜本質上會通過“藍移”將波長縮短并增加光的入射角,引用一句“星際迷航”中斯科蒂的臺詞:“你們不能改變物理定律呀”。為解決這個波長變動問題,濾波片可以“過度設計”,使其擁有一個擴展到激光波長紅色一側的帶通,用以使激光可在較寬的角度范圍內保持透射。壞消息是,因為這會導致任一入射角都具有了更寬的帶通,減弱了對背景干擾的阻擋。不過,對角度不敏感的新型材料組合已研發出現,這使得窄帶通解決方案的設計比之前的應用前景更好。

    通往未來之路

    除上述提及的技術挑戰外,當汽車 LiDAR 得以普遍應用之時,低成本且高產量的濾波片供應鏈將會產生巨大商業壓力。找到技術解決方案還不夠,必須要制定出可支持應對“便宜太陽鏡”的快速增長需求的可行解決方案,那些自動駕駛的“司機們”很快即將開車上路了。

    在街道上川流不息“5 級水平”自動駕駛汽車之前,我們還有很長的路要行走,但我們已經開車上路。自動駕駛光電傳感器技術和光學濾波片讓它們看得更清晰,而我們也已開始從中獲益。

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