MEMS激光雷达突出的缺点是什么?

时间:2020-06-19 15:16来源:电子发烧友网作者:电子发烧友网 点击:
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摘要:多光束Flash激光雷达创新厂商Ouster分析了激光雷达光学孔径,并通过现场试验,分享了如何利用更大的光学孔径,最小

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道路行驶中激光雷达(LiDAR)很容易被污染物遮蔽
车辆在雨雪、多尘的天气行驶时,前挡风玻璃以及前大灯都会覆上雨雪、尘土或者其它颗粒物。另外,在夏季夜间跑过高速公路的司机都很了解,跑完高速车头都会布满各种昆虫的尸体。这些遮蔽物会阻挡司机的视线,以及前大灯的照明效果。幸好,现在的汽车都配有雨刮器,高端车型还配有大灯清洗系统。当雨雪、灰尘、昆虫尸体或其它颗粒物遮蔽激光雷达窗口时,这些环境遮蔽物势必也会阻挡或偏转激光束,从而降低传感器的“能见度”。那么,这些影响有多大呢?
多光束Flash激光雷达创新厂商Ouster分析了激光雷达光学孔径,并通过现场试验,分享了如何利用更大的光学孔径,最小化遮蔽物的影响。

MEMS激光雷达突出的缺点是什么?

清洗后沾满水滴的Ouster激光雷达OS1,水滴对光线有折射作用

什么是光学孔径?为什么它很重要?
相机镜头可以看成激光雷达镜头的简化版本,我们可以先从相机镜头获得一些直观感受。在相机中,光圈是指控制从镜头系统到图像传感器进光量的开口。光圈通常位于镜头内部的深处,但打开和关闭光圈也会影响前透镜表面上光收集区域的大小。这被称为“前透镜光圈”,在光学设计圈中也称为“入射光瞳”,在本文中,光学孔径指的是前透镜光圈,而不是深处镜头内部的机械光圈。
光学孔径的大小会影响遮蔽物对图像传感器的影响。如果一个不透明的遮蔽物(如泥巴或虫子)大于光学孔径,那么它会完全遮挡光圈,从而使相机“失明”。如果光学孔径大于遮蔽物,那么入射光只会部分衰减,只会对成像显示产生部分影响。

相机镜头被部分遮蔽,相对较大的光圈可以通过光线,对成像产生部分影响

在Ouster的激光雷达传感器中,透镜系统对VCSEL激光器进行准直和扩展。当激光束从透镜系统射出时,光学孔径与激光束的直径直接相关。而在接收端,光的传播方向相反,但和相机一样,它也有一个光学孔径,光在聚焦到探测器阵列之前会通过。
与相机镜头类似,光学孔径较小的激光雷达传感器对遮蔽物的弹性较小。不透明或有折射影响的遮蔽物(如雨滴,可以偏转激光束),会使激光雷达信号衰减,从而降低像素的捕捉范围。而当光学孔径较大时,信号强度只会部分衰减而不是完全阻挡,对点云的影响较小。

MEMS激光雷达突出的缺点是什么?

小光学孔径更容易受到遮蔽物的影响

也就是说,对于扬尘、雨雪、泥污等其它遮蔽物会出现的行车环境,小光学孔径对于所有相机或激光雷达来说都会有影响。
昆虫尸体问题现场测试!
对此,Ouster进行了一系列的测试,以证明OS1的大光学孔径是如何降低较大遮蔽物(如大昆虫尸体)的影响。
Ouster的测试装置包括一个OS1-64激光雷达传感器,和一个经过校准的10%反射率的朗伯表面。为了测试性能,Ouster采用干净的传感器窗口收集了激光脉冲的返回强度。然后,用直径为5毫米的“昆虫”贴在面向朗伯表面的传感器窗口上,再次测量激光脉冲的返回强度。将这两个值进行比较,以确定“昆虫”对信号强度的影响。
为了测量不同范围内的强度衰减,Ouster将激光雷达传感器放在不同的距离重复了测试过程。

Ouster激光雷达OS1和经过校准的10%反射率朗伯表面,并在6米、12米和18米距离处进行了重复试验

Ouster使用贴纸来模拟遮蔽物对激光雷达性能的影响

通过Ouster Studio软件,在点云图中突出显示朗伯表面及捕捉的强度值

现场试验结果

MEMS激光雷达突出的缺点是什么?

纵坐标为强度值,横坐标为不同的测试距离(6米、12米和18米)

上表计算了不同测试距离时,遮蔽物对强度衰减及预期探测距离的影响

从测试结果来看,即使OS1-64贴上了不透明的遮蔽物,传感器仍然具有探测能力,不过捕捉强度有所降低。这也是可以理解的,因为一个5毫米的遮蔽物只能遮挡一小部分光学孔径,但是会使光子的有效探测距离减少约15%。Ouster的大光学孔径可以确保足够的光束绕过遮蔽物进入到探测器阵列,因此对最大探测距离的影响相对较小。
MEMS微镜的问题

相比之下,略大些的昆虫就可以完全遮挡MEMS微镜较小的光学孔径

【光粒网综合报道】( 责任编辑:weixiang )
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