智能駕駛激光雷達避障光學成像系統

劉 福

(煙臺勝信數字科技股份有限公司， 山東 煙臺 264000)

1 引言

激光雷達是通過發(fā)射激光光束來探測目標位置，速度等特征參數的雷達系統，具有測量精度高，方向性、反應速度快、可靠性高等優(yōu)點[1-4]，由于激光雷達可以形成高達厘米級精度的三維環(huán)境地圖， 在車輛上使用進行測量距離、繪制三維地圖、自動導航與智能駕駛等功能，因此在智能駕駛中是一種非常重要的避障設備[5-8]。

進入21世紀后，智能車載激光雷達因其能快速、精確得到前方目標的三維形貌，同時及時獲得和前方目標的距離，角度等方位信息，因此越來越多的國內外學者對智能車載激光雷達進行了深入研究。國外有代表性的有美國Velodyne 公司生產的 HDL 32E激光雷達，德國的 IGI公司生產的LiteMapper車載激光雷達，法國 TopoSys公司生產的 FalconⅡ車載激光雷達，加拿大 Optech 公司生產的SHOALS車載激光雷達和ALTM車載激光雷達，以及Leica 公司生產的ALSSO車載激光雷達，瑞典 TopoEyeAB 公司生產的TopEye車載激光雷達，其中尤其以美國Velodyne 公司生產的 HDL 32E車載激光雷達的最為著名，HDL 32E車載激光雷達基于掃描成像的原理進行工作，它通過激光雷達發(fā)射光學系統和激光雷達接收光學系統工作獲取目標的距離等信息，能夠實時獲取待測目標的全方位三維點云圖，通過和數字照片技術合成后，獲得具有精確距離信息的待測目標的三維圖片，實現對待測目標的三維模型。國內對車載激光雷達研制生產的單位較少，目前主要有上海禾賽光電科技公司，深圳雷神智能公司，北京北科天繪公司等企業(yè)。近年來越來越多的學者對該領域進行了相關的研究[9-16]。

本文深入研究分析了智能駕駛激光雷達系統的實現原理，考慮了車載環(huán)境和實際應用需求，設計了一種智能駕駛激光雷達避障光學成像系統，根據智能駕駛激光雷達系統的整體結構，選取適合系統需求的激光器和光電探測器，確定了智能駕駛激光雷達發(fā)射光學系統和接收光學系統的參數要求，應用 ZEMAX 光學仿真設計分析軟件完成了兩個光學系統的優(yōu)化設計和成像性能分析，仿真分析結果表明，智能駕駛激光雷達發(fā)射光學系統和接收光學系統滿足系統整體的設計目標要求。

2 智能駕駛激光雷達的原理和選型

智能激光雷達是智能駕駛汽車中功能最強大的傳感器，它可以區(qū)分人物海報和行進中的行人，在三維立體空間中建模，檢測靜態(tài)物體，精確測量目標的運動速度。智能駕駛激光雷達系統主要是由發(fā)射系統、激光接收系統，發(fā)射信號控制處理系統，接收信號控制處理系統，軟件系統幾個部分組成。

智能駕駛激光雷達按照工作方式分為脈沖式激光雷達和相位式激光雷達兩大類。

脈沖式激光雷達的工作原理是其光源采用脈沖激光器，利用脈沖激光器向待測目標發(fā)射激光脈沖，利用計數器計算脈沖到達待測目標并返回的往返時間，結合光的速度進一步計算得出物體和目標之間的距離。因為激光脈沖的能量相對集中，因此脈沖式激光雷達的傳輸距離可以達到很遠，可以從幾十米到幾萬米。

相位式激光雷達的工作原理是利用調諧和差頻測相等相關技術，通過測量發(fā)射光束和從待測目標反射回光束二者的相位差，該相位差包含了待測距離的相關信息，利用相位差來實現對目標距離的測量。相位式激光雷達在使用時需要在待測目標上安裝激光反射器，即需要有合作目標，且影響其測量精度的因素較多，包括有大氣溫度、濕度、調諧頻率、氣壓、光發(fā)射功率、穩(wěn)定性參數等等，相位式激光雷達的傳輸距離只能從幾米到幾十米。

3 激光雷達成像系統設計

和相位式激光雷達相比，脈沖型激光雷達具有可測量距離更長，測距速度快，工作時不需要合作目標，隱蔽性好，安全性高等優(yōu)點，因此總體方案采用脈沖型激光雷達結構形式。

3.1 激光發(fā)射光學系統的設計和分析

對于智能激光雷達中激光發(fā)射光學系統的激光器，考慮到激光器發(fā)出的激光通過激光發(fā)射光學系統的透鏡組和空氣介質時會有一定的能量損耗，為了保證智能激光雷達能夠接收到足夠的能量，應選擇足夠功率的激光器。考慮車載環(huán)境和實際應用需求，智能駕駛激光雷達避障光學成像系統中激光發(fā)射光學系統的設計要求如表1所示。

表1 激光發(fā)射光學系統的設計要求

攝遠光學結構由一個正透鏡和一個遠離該正透鏡的負透鏡組成，這種結構形式使得光學系統的主面向外移動，可以使得光學系統的總長小于光學系統的焦距，使得光學系統的結構更加緊湊，縮小光路尺寸，因此此處智能激光雷達的激光發(fā)射光學系統采用攝遠光學結構形式，該系統倒置過來設計，所設計的智能激光雷達的激光發(fā)射光學系統結構如圖1所示，激光發(fā)射光學系統僅由三塊透鏡組成，材料均采用F2光學材料，為了校正光學像差，前組的正透鏡最后采用復雜化的兩片透鏡組成，智能激光雷達的激光發(fā)射光學系統的焦距為300 mm,而智能激光雷達的激光發(fā)射光學系統的總長僅為186 mm，為焦距的1/1.6。

圖1 激光發(fā)射光學系統結構示意圖

圖2為了智能激光雷達的激光發(fā)射光學系統的點列圖，由圖2可知，激光發(fā)射光學系統的RMS彌散斑半徑最大僅為2.44 μm，5個視場的彌散斑大小都很小且均勻。

圖2 激光發(fā)射光學系統點列圖

圖3表示了智能激光雷達的激光發(fā)射光學系統的光線像差，左側為子午像差特性曲線，右側為弧矢像差特性曲線，由圖3可知，激光發(fā)射光學系統5個視場在子午和弧矢方向的光學像差基本一致，數值也很小。

圖4表示了智能激光雷達的激光發(fā)射光學系統的波像差，由圖4可知，激光發(fā)射光學系統的峰谷值為 0.031λ，滿足瑞利判據小于λ/4的要求。

圖3 激光發(fā)射光學系統的光線像差曲線

圖4 激光發(fā)射光學系統的波像差圖

圖5表示了智能激光雷達的激光發(fā)射光學系統光學系統的傳遞函數曲線，由圖5可知，激光發(fā)射光學系統5個視場在子午和弧矢方向的傳遞函數都接近系統的衍射極限。

圖5 激光發(fā)射光學系統傳遞函數曲線

3.2 激光接收光學系統的設計和分析

對于智能激光雷達中激光接收光學系統的能量接收器，因為測距時是按照激光器發(fā)出的激光的來回時間來評估距離的，因此選取對響應時間響應更靈敏的光電檢測傳感器?？紤]車載環(huán)境和實際應用需求，智能駕駛激光雷達避障光學成像系統中激光接收光學系統的設計要求如表2所示。

表2 激光接收光學系統的設計要求

為了使得智能激光雷達的激光接收光學系統的結構更加緊湊，激光接收光學系統采用攝遠光學結構形式，所設計的智能激光雷達的激光接收光學系統結構如圖6所示，激光發(fā)射光學系統僅由兩塊透鏡組成，材料均采用F2光學材料，智能激光雷達的激光接收光學系統的焦距為150 mm,而智能激光雷達的激光接收光學系統的總長僅為126 mm，為焦距的1/1.2。

圖6 激光接收光學系統結構示意圖

圖7～圖10給出了智能激光雷達的激光發(fā)射光學系統光學系統的傳遞函數曲線，光線像差曲線，點列圖，徑向能量曲線。由圖可知，激光接收光學系統5個視場在子午和弧矢方向的傳遞函數都接近系統的衍射極限，光線像差曲線平緩，最大的RMS彌散斑半徑僅為1.11 μm，在10 μm的圓域范圍內所有視場的能量都優(yōu)于80%，取得很好成像性能。

圖7 激光接收光學系統傳遞函數曲線

圖8 激光接收光學系統的光線像差曲線

圖9 激光接收光學系統的點列圖

圖10 激光接收光學系統的徑向能量曲線

4 結論

本文深入研究分析了智能駕駛激光雷達系統的實現原理，考慮了車載環(huán)境和實際應用需求，考慮脈沖型激光雷達具有可測量距離更長，測距速度快，工作時不需要合作目標，隱蔽性好，安全性高等優(yōu)點，采用脈沖型激光雷達結構形式，設計了一種智能駕駛激光雷達避障光學成像系統，根據智能駕駛激光雷達系統的整體結構，選取適合系統需求的激光器和光電探測器，確定了智能駕駛激光雷達發(fā)射光學系統和接收光學系統的參數要求，應用 ZEMAX 光學仿真設計分析軟件完成了兩個光學系統的優(yōu)化設計和成像性能分析，仿真分析結果表明，智能駕駛激光雷達發(fā)射光學系統和接收光學系統滿足系統整體的設計目標要求。隨著人工智能，計算機視覺，機器視覺，大數據等新技術的發(fā)展，可以在智能駕駛激光雷達光學成像系統中引入這些新技術對避障物體進行智能識別探測，對汽車進行智能控制。