深圳镭尔特光电科技有限公司

EEL vs VCSEL vs 光纤激光器---深圳镭尔特光电

深圳镭尔特光电科技有限公司

 二维码 798
发表时间:2023-04-14 08:39

之前我们讲到激光雷达根据接收原理一般分为iTOF/ dTOF(SPAD/ APD),根据扫描方式又可以分为机械旋转式激光雷达/ 半固态(有的也叫混合固态)激光雷达/ 固态激光雷达/ Flash/OPA 等等。但他们的最小组成单元比较类似:发射端:光源+发射透镜,接收端:sensor+接收透镜。本文基于目前较多的机械旋转式/混合固态式,讲讲其中的光学原理。

光源

激光雷达的光源当然是激光,常用的一般两个波段

905nm波段通常是用EEL(Edge-Emitting Laser)边发射激光器,VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)垂直腔面发射激光器。

1550nm波段,通常需要用到光纤激光器。

波长的选择

为什么会用到这两个波段呢,主要是根据两方面的约束

4d1fb2c0-d8ee-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

自然光的光谱

905nm也好,1550nm也好,在自然光光谱中占比重较小,即在相同的自然光强下,这个波段的强度较低,使得经过滤光片过滤后,噪声较小。这个自然光光谱的具体数值可以通过ASTM G173查到。

人眼安全

参考IEC60825-1 消费级的激光雷达都会要求人眼安全级别达到class 1,人眼安全除了跟激光的能量强度、FOV、脉冲时间、脉冲峰值功率、平均光功率有关外,还和波长相关。

4d344352-d8ee-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

1550nm的激光会被晶状体和角膜吸收,所以在class 1的标准下,使用1550nm的光源可以使用更高的功率。当然1550nm的光源也有其他的优劣,成本,特定场景下回波能量低之类的,先不在这里展开了。

光束质量

因为光源是激光,是存在快慢轴(快轴是垂直于激光芯片正表面的,慢轴是平行于芯片表面的,一般快轴的发散角大,慢轴反之)和束腰的,所以激光光束质量的好坏是光源选择的关键。判断激光光源光束质量的常用表达方式是BPP(Beam-Parameter Product)光参数积(当然还有M^2,这里就讲BPP吧),BPP的定义:

4d878d46-d8ee-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

4d914a2a-d8ee-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

其中ω 是束腰半径,θ 是远场发散半角。BPP是一个恒定值,在不损失能量的情况下,利用光学系统对激光的任意一项进行调整,另一项都会发生相应的改变。可以看出,BPP越小,光束能量越集中,光束质量就越好。

而因为部分激光雷达(如车载)有远距离测距的要求,为了保证足够的分辨率,需要激光的弥散斑在远距离也保持的很小,所以需要将激光的出射角准直到很小(这里会在下文出射透镜环节进一步讲),而又为了回波能量能够被探测到,所以需要其能量足够集中吗。所以选择一个BPP很小的激光器是关键的。

EEL vs VCSEL vs 光纤激光器

这里用个表格来表示吧:

4d99c466-d8ee-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

中心波长偏移

通常温度的变化会给激光器的中心波长带来变化,不同批次的激光器中心波长也会有一定程度的便宜,这使得对滤光片的带宽要求变宽,从而会让更多的环境光作为噪声进入sensor,减小信噪比。

发射透镜

发射透镜主要是为了准直,因为光源是激光,快慢轴需要用柱面镜分开单独准直(当然对于快慢轴发散角一致的光源来说可以用一个凸面镜来准直),准直后的发散角一般用m r a d mradmrad(毫弧度)为单位来表示。相同能量下,发散角越小,激光雷达能测到的距离就更远,测距分辨率越高。

接收透镜

接收透镜与Sensor的类型有关,如果Sensor只有单个pixel,那么接收透镜是非成像的,只用FOV与发射透镜匹配即可。

如果是面阵的Sensor,那就和camera透镜的方式一致,物像关系需要对应。

Sensor

Sensor的种类之前讲过了(不过也还有FMCW OPA没讲),当然不同波长的光源,选用的Sensor也有所不同。

光路分类

主要分两种方式:旁轴&同轴

这里我画了两张图

旁轴系统

4da35dbe-d8ee-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

发射端和接收端是不同的光路,发射端和接收端之间的物理距离被称为Baseline,Baseline的大小,光源和发射透镜组成的发射端的发散角,Sensor和接收透镜组成的接收端的视场角,共同决定了旁轴光路系统的有效测距范围(可以用简单的三角关系来计算)。可以看出,旁轴系统在近距离是存在盲区的(即近距离是无法测距的,而其实因为发散角的边缘并不是完全无光(定义为1 / e^2的位置),所以因为SPAD的高感光能力,SPAD应用中近距离的盲区会远小于理论盲区)。所以,考虑到分辨率和盲区大小,旁轴系统会希望Baseline尽可能的小,发射端的发散小要尽可能的小,而接收端的视场角需要略大于发射端,但不能大太多(因为大太多会引入更多的环境噪声)。对于同样一个目标靶来说,旁轴系统接收到的能量随着距离的远近的线性度会较差,且会因为极线约束在sensor靶面上的投影也会随距离偏移(而大多数sensor不同位置对于能量的响应也是有所不同的)。

同轴系统

4daf1c58-d8ee-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

发射端和接收端是相同光路的系统,利用分光镜来对发射/接收光线进行半透半反,因为是相同的光路,发射和接收的角度可以做到相同,且不存在盲区,同轴的系统不存在极线约束,其能量随距离的线性度也会更好。然而因为分光镜的存在,同轴系统对于光源能量的要求更高(在图中也很好看出,出射能量会被削弱50%,接收能量又会被削弱50%)。且同轴系统的装配难度及体积也会比旁轴系统要大。

PS. 这里引入了一个reference sensor的概念,因为温漂会影响发射系统的出光延时,所以只记录电路上的start 出光信号时间会受到温度的影响使得测距的信息不准确,而光的start 信号出光延时是同步的,所以利用reference sensor可以更好的跟随温漂后的实际出光时间,获得更准确的start时间,从而抑制温漂对TOF测距产生的影响。

光学链路分析

分析方式各种paper没有太过统一,但大致需要考量的因素差不太多。我会分为两块来讲讲我的理解

背景噪声建模

《Modeling and Analysis of a Direct Time-of-Flight Sensor Architecture for LiDAR Applications》这篇文章提到可以用普朗克黑体辐射定律和泊松分布来建模

4dbe71b2-d8ee-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

4e7eb152-d8ee-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

信号/回波衰减建模

4e8827c8-d8ee-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

4efb647c-d8ee-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

其他

当然,这里是简单的模拟,像目标物反射可以用朗伯散射的模型,IR的透过率引入IR的带通数值以及太阳光的光谱数据(根据刚才提到的ASTM G173),发射与接收之间的baseline以及弧面光功率到平面目标物的散射截面积,如SPAD的雪崩触发的泊松/负二项分布,电路的散弹噪声/暗电流/热电流都可以被考虑到。



(来源:电子发烧友网)


文章分类: 新闻中心
分享到:
在线客服系统