“基于MEMS技術(shù)的激光雷達(dá)傳感器價(jià)格較低，但其性能不足以用于自動(dòng)駕駛車(chē)輛。”我們經(jīng)常聽(tīng)到這樣的說(shuō)法。本文將解釋我們的傳感器如何使這一說(shuō)法失效，我們?nèi)绾螢榧す饫走_(dá)開(kāi)發(fā)MEMS技術(shù)，如何為激光雷達(dá)找到理想的鏡面尺寸并說(shuō)明其決定因素。

汽車(chē)應(yīng)用所需：性能和可量產(chǎn)性

激光雷達(dá)應(yīng)用在自動(dòng)駕駛車(chē)上，必須滿(mǎn)足兩個(gè)基本要求：一方面，提供高性能，包括遠(yuǎn)距離和寬視野。另一方面，必須具有可量產(chǎn)性，以便能夠生產(chǎn)和安裝在數(shù)百萬(wàn)輛汽車(chē)上。激光雷達(dá)制造商想了一系列的辦法來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。機(jī)械式激光雷達(dá)系統(tǒng)是如今最常用的系統(tǒng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而移動(dòng)光束偏轉(zhuǎn)單元。盡管機(jī)械式激光雷達(dá)擁有廣闊的視野（有些可達(dá)360°）和遠(yuǎn)距離，但它們的機(jī)械裝置需要定期維護(hù)，而且體積大、重量大、生產(chǎn)成本高。總體來(lái)說(shuō)，機(jī)械式激光雷達(dá)只滿(mǎn)足高性能這一個(gè)要求。

另一種應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的是MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）技術(shù)。這種技術(shù)，組件是用硅來(lái)制造的，具有可擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)：由于這項(xiàng)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用和測(cè)試，完全相同的組件可以以經(jīng)濟(jì)高效的方式大量生產(chǎn)。

但是基于MEMS技術(shù)的激光雷達(dá)是如何應(yīng)對(duì)性能這一挑戰(zhàn)呢？

選擇合適激光源，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)

要想讓自動(dòng)駕駛車(chē)能夠高速安全行駛，它們必須能夠“看見(jiàn)”并感知周?chē)氖澜纭粌H是近處，而且在更遠(yuǎn)的距離也應(yīng)如此。在高速公路上行駛時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要，因?yàn)檐?chē)輛行駛速度很快，因此必須要可靠地檢測(cè)到遠(yuǎn)距離的物體、彎道和其他車(chē)輛，以便能夠及時(shí)作出反應(yīng)。因此，傳感器需要檢測(cè)到遠(yuǎn)距離才能在高速公路上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。

為了使激光雷達(dá)傳感器達(dá)到這個(gè)探測(cè)距離，發(fā)射器或探測(cè)器都需要專(zhuān)門(mén)針對(duì)這一應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。首先可能優(yōu)化的是激光源。通常，應(yīng)用到激光雷達(dá)傳感器的激光源波長(zhǎng)有兩種。一些雷達(dá)制造商采用波長(zhǎng)為1550納米的激光器。這種波長(zhǎng)的激光不會(huì)聚焦到人眼視網(wǎng)膜上，因此即使激光源是在高能量水平下，也符合人眼安全標(biāo)準(zhǔn)。這類(lèi)型激光雷達(dá)的激光源能量越高，探測(cè)距離也就越長(zhǎng)。然而，這種類(lèi)型的激光源也有一個(gè)致命的缺點(diǎn)：1550nm激光器體積大、制造復(fù)雜，導(dǎo)致激光雷達(dá)外殼尺寸較大并且成本很高。

故此，很多激光雷達(dá)都采用激光脈沖發(fā)射波長(zhǎng)為905nm的激光二極管。它們的顯著優(yōu)點(diǎn)是體積很小，并且很早之就已經(jīng)在其他領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。實(shí)際上，這些二極管價(jià)格低廉，能夠在市場(chǎng)上大量購(gòu)買(mǎi)。然而，眼睛安全法規(guī)要求二極管的光束強(qiáng)度要低于1550nm激光器的光束強(qiáng)度，在發(fā)射極側(cè)的優(yōu)化因此受到限制。

為反射鏡尋找合適的尺寸

那么如何優(yōu)化探測(cè)器呢？孔徑在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)中起著重要作用。在基于MEMS的設(shè)計(jì)中，孔徑與鏡面尺寸相對(duì)應(yīng)。為了捕捉盡可能多的光，需要一個(gè)大的光圈——換句話(huà)說(shuō)，就是一個(gè)盡可能大的反射鏡。然而，反射鏡的尺寸也受到某些因素的限制，因此有必要結(jié)合考慮這些因素，計(jì)算出反射鏡的最佳尺寸。這些因素包括：接收光子數(shù)、激光準(zhǔn)直、偏轉(zhuǎn)角、共振頻率。

光子數(shù)

一方面，在激光雷達(dá)中使用的反射鏡的大小取決于必須發(fā)射多少光子才能有足夠數(shù)量的光子返回，從而探測(cè)到目標(biāo)。可以根據(jù)鏈路估值精確計(jì)算最小光子數(shù)。這一測(cè)量包括通過(guò)這段距離和通過(guò)反射表面損失光子數(shù)、光的散射以及探測(cè)器的效率。通過(guò)這種方法，就有可能計(jì)算出必須發(fā)射多少光子，或者孔徑多大，才能再次檢測(cè)到足夠數(shù)量的光子。除此之外，傳感器采用同軸設(shè)計(jì)，這意味著只有從與發(fā)射同一方向返回的光才能被重新捕獲。對(duì)于傳感器來(lái)說(shuō)，這是有利的，可以防止捕獲到其他的干擾光信號(hào)。

激光準(zhǔn)直

為了獲得高分辨率數(shù)據(jù)，可靠地識(shí)別小目標(biāo)，激光必須準(zhǔn)直地?fù)糁心繕?biāo)，這是通過(guò)在激光器前面放置一個(gè)透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)在，反射鏡的尺寸又起作用了：反射鏡必須足夠大，才能夠偏轉(zhuǎn)所有被透鏡準(zhǔn)直的光。

共振頻率

MEMS反射鏡以一定的諧振頻率振蕩。它們由集成執(zhí)行器觸發(fā)，因此不需要電機(jī)或任何其他機(jī)械裝置。這是一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殡姍C(jī)和運(yùn)動(dòng)部件很快就會(huì)磨損，需要定期維護(hù)。如果振蕩是由集成執(zhí)行器觸發(fā)的，則不會(huì)出現(xiàn)這些問(wèn)題。反射鏡的共振頻率取決于反射鏡的尺寸和安裝方式。為此，我們開(kāi)發(fā)了一種嵌入反射鏡的技術(shù)，以便能夠使用大的鏡面尺寸。直徑足夠大，大量的光子直接透過(guò)反射鏡并返回到探測(cè)器上。這使得激光雷達(dá)傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)精確的遠(yuǎn)距離探測(cè)。此外，由于尺寸較大，相比直徑只有幾毫米的傳統(tǒng)反射鏡更耐用。虹科激光雷達(dá)中使用的反射鏡因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)輕巧，具有很高的諧振頻率，這確保了盡可能多的光子返回探測(cè)器：如果反射鏡振蕩過(guò)快或者過(guò)慢，因?yàn)橥S結(jié)構(gòu)的存在，探測(cè)器依然能夠檢測(cè)到大量的光子。

定制設(shè)計(jì)的MEMS技術(shù)

總之，反射鏡的尺寸是由一系列因素決定的。為了制造基于MEMS的高性能激光雷達(dá)，必不可少需要對(duì)反射鏡的組成成分、尺寸和嵌入方式等方面進(jìn)行研究。只有將MEMS技術(shù)與激光雷達(dá)應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，才能滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離、寬視場(chǎng)和高分辨率的要求。