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圖1 激光雷達

(資料圖片)

激光雷達是一項成熟的技術(shù)，越來越多地部署在消費產(chǎn)品和無人駕駛車輛中。LIDAR 是 Light Detection And Ranging 的首字母縮寫詞。激光雷達系統(tǒng)已經(jīng)使用了 50 多年，但直到最近，此類系統(tǒng)的成本仍使它們無法在大眾市場中廣泛應(yīng)用。

盡管雷達在自動駕駛汽車技術(shù)（例如自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)）中被廣泛應(yīng)用，但LIDAR被認為是駕駛員輔助汽車的首選傳感器，因為它可以精確地映射位置和距離，從而檢測小物體和3D成像。它使用帶有飛行時間感應(yīng)的脈沖激光和固態(tài)光來測量距離。激光雷達系統(tǒng)的表征要求在寬反射率動態(tài)范圍內(nèi)補償傳感器對脈沖激光或固態(tài)光水平的響應(yīng)。為此，需要使用已知和穩(wěn)定反射率的大面積反射率漫反射目標板。Labsphere（藍菲光學(xué)）的Permaflect漫反射涂層目標板，范圍從5%到94%的反射率，使汽車制造商 OEM 及其供應(yīng)商能夠在廣泛的環(huán)境條件下表征和校準其 LIDAR 系統(tǒng)。

圖2 Labsphere（藍菲光學(xué)）的Permaflect漫反射涂層目標板

激光雷達技術(shù)

激光雷達最基本的形式是激光測距儀，自20世紀80年代以來已廣泛應(yīng)用于軍事應(yīng)用。激光測距儀由一個脈沖激光器(發(fā)射器)和一個光電探測器(接收器)組成。測距儀的設(shè)計可精確測量距離(所謂的“測距”)，主要測量激光脈沖被反射和接收到探測器所花費的時間(這被稱為“飛行時間”測量)。

測距儀對準目標物并發(fā)射激光脈沖。激光擊中目標，被散射，并且一部分反射光由探測器測量。由于光速非常精確，因此可以非常精確地測量測距儀和目標物之間的距離。更先進的激光雷達系統(tǒng)使用相同的原理，但使用光學(xué)和移動或多個探測器在二維中映射目標。這些系統(tǒng)通常每秒脈沖數(shù)千次，每秒可以探測到數(shù)千個點。分析該點云的數(shù)據(jù)可以創(chuàng)建目標區(qū)域的準確映射。激光雷達的工作方式類似于雷達和聲納，它們分別使用無線電波和聲波。來自雷達和聲納的數(shù)據(jù)可用于以類似方式映射周圍環(huán)境，但激光雷達系統(tǒng)使用的是較短波長的紅外輻射，而不是較短波長的無線電波。由于使用的波長較短，激光雷達測量比雷達更準確。

部署在自動駕駛汽車上的激光雷達系統(tǒng)通常使用掃描激光束和閃光技術(shù)來測量空間中相對于傳感器的 3D 點。這些激光雷達系統(tǒng)通常每秒發(fā)射數(shù)千個激光脈沖，以便車輛可以對行人和其他車輛等障礙物做出反應(yīng)。激光雷達允許自動駕駛汽車以高精度、高分辨率和長檢測距離傳送和接收物體和周圍環(huán)境的反射光。目前正在開發(fā)更先進的 AI（人工智能）系統(tǒng)，用來預(yù)測車輛和行人路徑，并做出相應(yīng)反應(yīng)。當您將 LIDAR 數(shù)據(jù)與定位信息（使用 GPS 或類似信息）相結(jié)合時，您就可以全面映射車輛周圍環(huán)境。

激光雷達的性能在很大程度上取決于所使用的激光功率和波長。出于安全原因，可使用的激光功率有一個上限。在沒有更高的激光功率的情況下，你可以使用更高靈敏度的探測器，或者使用波長延伸到更遠的紅外(IR)的激光。由于現(xiàn)有激光器的技術(shù)成熟，通常使用的波長為850nm、905nm或1550nm。1550nm激光比其他選擇更安全，因為超過1400nm的紅外輻射不會再通過眼睛的角膜，所以不會聚焦在視網(wǎng)膜上，但因水對1550nm的光吸收較強，1550nm要求更多的功率來補償。

消費電子產(chǎn)品和自動駕駛汽車中的激光雷達

激光雷達作為關(guān)鍵性技能與攝像頭系統(tǒng)和其他傳感器一起在自動化中應(yīng)用。激光雷達系統(tǒng)已經(jīng)在專業(yè)測繪和相關(guān)應(yīng)用中商用多年。然而，直到最近幾年，激光雷達才變得越來越普遍，這主要是由于自動駕駛汽車應(yīng)用（無人駕駛汽車）需要更小、更便宜的設(shè)備。自上世紀90年代初以來，激光雷達已作為自適應(yīng)巡航控制的基礎(chǔ)應(yīng)用于半自動駕駛汽車，而激光雷達首次應(yīng)用于自動駕駛汽車是在2005年。

在消費電子領(lǐng)域，最新一代的 Apple iPad Pro（以及現(xiàn)在的 iPhone 12 Pro）已將 LIDAR 傳感器集成到其攝像頭陣列中，專門用于成像和增強現(xiàn)實 (AR) 應(yīng)用。LIDAR 傳感器可使 iPad 正確解析真實物體相對于由相機陣列成像的 AR 物體的位置。AR 還處于起步階段，因此 LIDAR 在智能手機和其他消費設(shè)備上的應(yīng)用還有待觀察，但人們對為專業(yè)應(yīng)用開發(fā)的 AR 產(chǎn)生了極大的興趣，其中 LIDAR 可以成為非常有用的增強功能。專業(yè) AR 的應(yīng)用多種多樣，從幫助倉庫工人找到最快、最安全的路徑到所需零件，到輔助工程師了解復(fù)雜維修的過程。這些應(yīng)用中的激光雷達可精確定位和對齊，這對于任何需要高精度的應(yīng)用都很重要。

漫反射目標板在激光雷達系統(tǒng)測試與標定中的作用

多年來，Pro-Lite 和Labsphere（藍菲光學(xué)）多年來使用漫反射板一直在支持開發(fā) LIDAR 系統(tǒng)開發(fā)。Labsphere（藍菲光學(xué)） 更緊湊的 Spectralon? 漫反射目標板通常被軍方用于測試激光測距儀。精確校準的光譜反射率與近朗伯（漫反射）反射率相結(jié)合，意味著對于這些應(yīng)用，您有一個準確性、重復(fù)性的漫反射目標板可在實驗室或現(xiàn)場測試您的系統(tǒng)。

圖3 Labsphere（藍菲光學(xué)）超低反射率漫反射目標板

用于更大規(guī)模測繪或自動駕駛汽車應(yīng)用的激光雷達系統(tǒng)需要更大的目標區(qū)域。由于大多數(shù)自然物體都會漫反射光線，因此 Labsphere （藍菲光學(xué)）的漫反射材料是用戶的自然選擇，可以提供質(zhì)量保證、現(xiàn)場測試和比較。Labsphere（藍菲光學(xué)） 開發(fā)了 Permaflect 目標板，以滿足對大面積、耐用和光學(xué)穩(wěn)定目標板材料的需求。大的漫反射目標板尺寸（標準尺寸高達 1.2m x 2.4m）與校準的光譜反射率數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以精確測量 LIDAR 范圍。在 100m、200m、300m 等長距離測試距離內(nèi)，則需要更大的目標板來反映目標上具有代表性的點數(shù)。

Permaflect 是一種噴涂漫反射涂層，可以將其應(yīng)用于大面積或 3D 形狀，從而可以模擬真實世界的物體。現(xiàn)實世界中很少有物體像目標面板一樣平坦，因此 Permaflect 涂層物體可以實現(xiàn)可重復(fù)的近朗伯反射率水平，例如，可以應(yīng)用于人體模型以模擬行人。

圖4 Labsphere（藍菲光學(xué)） Permaflect 噴涂人體模型

LIDAR 漫反射目標板通常部署在室外，因此隨著時間的推移，當漫反射目標板的表面暴露在大氣中時，可以預(yù)期校準的反射率值會出現(xiàn)一些漂移。Labsphere （藍菲光學(xué)）的漫反射材料易于清潔。為了考察是否有反射率的下降，可以使用校準的反射率計（“反射率計”），它可原位測量漫反射目標板反射率并將紅外反射率的任何變化考慮到內(nèi)。漫反射目標板反射率的變化將直接影響測量范圍。下圖顯示了不同漫反射目標板反射率水平范圍內(nèi)反射率變化對測量范圍的影響。反射率的微小變化會對較低反射率目標板的測量范圍產(chǎn)生很大影響。例如，如果目標板的反射率從5%降低到 4%，則原先 300 m的測量范圍將下降到30 m。實時了解情況發(fā)生的方法是測量目標板的反射率，然后根據(jù)此調(diào)整修正您的計算。

圖5在300nm波長下對物體反射率進行距離測量的模擬靈敏度

圖6 Labsphere（藍菲光學(xué)） 開發(fā)了 Permaflect 漫反射目標板，以滿足對大面積、耐用和光學(xué)穩(wěn)定漫反射目標板材料的需求。