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MEMS激光雷達突出的缺點是什么?

MEMS ? 來源:MEMS ? 作者:MEMS ? 2020-06-19 09:49 ? 次閱讀
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道路行駛中激光雷達(LiDAR)很容易被污染物遮蔽
車輛在雨雪、多塵的天氣行駛時,前擋風玻璃以及前大燈都會覆上雨雪、塵土或者其它顆粒物。另外,在夏季夜間跑過高速公路的司機都很了解,跑完高速車頭都會布滿各種昆蟲的尸體。這些遮蔽物會阻擋司機的視線,以及前大燈的照明效果。幸好,現在的汽車都配有雨刮器,高端車型還配有大燈清洗系統。當雨雪、灰塵、昆蟲尸體或其它顆粒物遮蔽激光雷達窗口時,這些環境遮蔽物勢必也會阻擋或偏轉激光束,從而降低傳感器的“能見度”。那么,這些影響有多大呢?
多光束Flash激光雷達創新廠商Ouster分析了激光雷達光學孔徑,并通過現場試驗,分享了如何利用更大的光學孔徑,最小化遮蔽物的影響。

清洗后沾滿水滴的Ouster激光雷達OS1,水滴對光線有折射作用

什么是光學孔徑?為什么它很重要?
相機鏡頭可以看成激光雷達鏡頭的簡化版本,我們可以先從相機鏡頭獲得一些直觀感受。在相機中,光圈是指控制從鏡頭系統到圖像傳感器進光量的開口。光圈通常位于鏡頭內部的深處,但打開和關閉光圈也會影響前透鏡表面上光收集區域的大小。這被稱為“前透鏡光圈”,在光學設計圈中也稱為“入射光瞳”,在本文中,光學孔徑指的是前透鏡光圈,而不是深處鏡頭內部的機械光圈。
光學孔徑的大小會影響遮蔽物對圖像傳感器的影響。如果一個不透明的遮蔽物(如泥巴或蟲子)大于光學孔徑,那么它會完全遮擋光圈,從而使相機“失明”。如果光學孔徑大于遮蔽物,那么入射光只會部分衰減,只會對成像顯示產生部分影響。

相機鏡頭被部分遮蔽,相對較大的光圈可以通過光線,對成像產生部分影響

在Ouster的激光雷達傳感器中,透鏡系統對VCSEL激光器進行準直和擴展。當激光束從透鏡系統射出時,光學孔徑與激光束的直徑直接相關。而在接收端,光的傳播方向相反,但和相機一樣,它也有一個光學孔徑,光在聚焦到探測器陣列之前會通過。
與相機鏡頭類似,光學孔徑較小的激光雷達傳感器對遮蔽物的彈性較小。不透明或有折射影響的遮蔽物(如雨滴,可以偏轉激光束),會使激光雷達信號衰減,從而降低像素的捕捉范圍。而當光學孔徑較大時,信號強度只會部分衰減而不是完全阻擋,對點云的影響較小。

MEMS激光雷達突出的缺點是什么?

小光學孔徑更容易受到遮蔽物的影響

也就是說,對于揚塵、雨雪、泥污等其它遮蔽物會出現的行車環境,小光學孔徑對于所有相機或激光雷達來說都會有影響。
昆蟲尸體問題現場測試!
對此,Ouster進行了一系列的測試,以證明OS1的大光學孔徑是如何降低較大遮蔽物(如大昆蟲尸體)的影響。
Ouster的測試裝置包括一個OS1-64激光雷達傳感器,和一個經過校準的10%反射率的朗伯表面。為了測試性能,Ouster采用干凈的傳感器窗口收集了激光脈沖的返回強度。然后,用直徑為5毫米的“昆蟲”貼在面向朗伯表面的傳感器窗口上,再次測量激光脈沖的返回強度。將這兩個值進行比較,以確定“昆蟲”對信號強度的影響。
為了測量不同范圍內的強度衰減,Ouster將激光雷達傳感器放在不同的距離重復了測試過程。

Ouster激光雷達OS1和經過校準的10%反射率朗伯表面,并在6米、12米和18米距離處進行了重復試驗

Ouster使用貼紙來模擬遮蔽物對激光雷達性能的影響

通過Ouster Studio軟件,在點云圖中突出顯示朗伯表面及捕捉的強度值

現場試驗結果

MEMS激光雷達突出的缺點是什么?

縱坐標為強度值,橫坐標為不同的測試距離(6米、12米和18米)

上表計算了不同測試距離時,遮蔽物對強度衰減及預期探測距離的影響

從測試結果來看,即使OS1-64貼上了不透明的遮蔽物,傳感器仍然具有探測能力,不過捕捉強度有所降低。這也是可以理解的,因為一個5毫米的遮蔽物只能遮擋一小部分光學孔徑,但是會使光子的有效探測距離減少約15%。Ouster的大光學孔徑可以確保足夠的光束繞過遮蔽物進入到探測器陣列,因此對最大探測距離的影響相對較小。
MEMS微鏡的問題

相比之下,略大些的昆蟲就可以完全遮擋MEMS微鏡較小的光學孔徑

MEMS激光雷達有一個突出的缺點,其振蕩微鏡組件的光學孔徑只有1~4毫米。相比之下,Ouster的多光束Flash激光雷達的光學孔徑直徑可以達到2~10倍,面積則能達到4~100倍,因此,對于遮蔽物的魯棒性也同樣更高。
MEMS激光雷達系統通過反射鏡來實現激光束的掃描,其光學孔徑主要受反射鏡的尺寸限制。直觀地說,加大反射鏡的尺寸是提高MEMS系統光學孔徑的一個簡單方法,不過,事實上,大尺寸MEMS反射鏡在快速振蕩時存在一些原生問題,需要在視場、幀速率和可靠性之間做權衡,因此很少有制造商會這么做。
Ouster將進一步擴大優勢
對于遮蔽物的魯棒性,在探測距離、分辨率和視場等性能指標面前,往往會被忽視。但這些特性對于安全關鍵性應用往往非常重要,一只甲蟲就可能帶來很大麻煩。Ouster在激光雷達設計之初就充分考慮到了這一點,并且,最新的OS2進一步提高了這種魯棒性。OS2的光學孔徑達到了OS1的兩倍,對于遮蔽物的魯棒性更好,可以實現更遠距離的環境感知。敬請期待Ouster今年晚些時候的新品發布!
責任編輯:pj

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