如今,大多数的车载激光雷达扫描附近环境的原理都差不多,它们都是通过半导体激光器在近红外波段发射 905 纳米的激光并记录反射光来绘制点云地图的。

不过,包括美国在内的多个国家出于激光安全的考虑都对激光脉冲的功率进行了严格限制,因此激光雷达的有效探测范围缩短到了 30-40 米,这样的探测距离根本无法满足自动驾驶汽车高速行驶时的需要。

为了保证车辆安全,研发人员需要提前标出 200 米外的低反射率物体,这样车辆才能有充足的时间发现危险并及时进行制动。面对这样的局面,一些厂商选择另谋他法,但有些公司选择攻坚克难,美国新创公司 Luminar Technologies 就是其中之一。

今年春天,Luminar 推出了一款探测距离可达 200 米以上的激光雷达,新款激光雷达改用 1550 纳米波长的激光。

前不久,Luminar 将新系统安装在了一辆奔驰测试车上并将它带到了慕尼黑光博会。

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虽然 1550 纳米激光脉冲的功率是 905 纳米的 40 倍,但它却完全符合安全规范,而这些多出来的功率让雷达的探测距离提升了 10 倍,清晰度提升了 50 倍。

这样一来,即使以 75 英里/小时(约合 120 千米/小时)的速度在高速上行驶,车辆安全也能得到保证(这样的速度每秒车辆能移动 34 米)。

那么,为什么功率变大了安全性还能得到保证呢?下面我们来进行详细解答。

首先我们需要知道的是,人体上最容易被激光束伤害的是视网膜,只需对着太阳看一会,我们脆弱的视网膜就会遭到伤害,这也是太阳进入视野时我们会不自觉闪躲的原因。与太阳相比,激光束的威力更大,因此法律将激光束的光率严格限制在 5 毫瓦以下。

从理论上来讲,其实视网膜不会对现有激光雷达用到的 905 纳米红外光起反应,因此这种波长的光线我们看不到。不过,眼睛会将这些光传导到视网膜上,因此它与可见光一样有一定的危险性。

事实上,它的危害比太阳光还大,因为视网膜感应不到它,所以我们不会闪躲。

047ednc20170711 眼球剖面图

由于眼球有吸水性,因此晶状体、眼角膜和眼球内的液体会在波长较长的光线下透明度会降低,而波长超过 1400 纳米后,光线就无法到达视网膜,所以 1550 纳米的激光束完全符合安全标准。

眼下,警用激光雷达依然在使用 905 纳米的激光束,因为它们对射程要求不高,激光束价格便宜且能使用廉价的硅探测器。不过,即使是非车载激光雷达的研究人员也认为 1550 纳米的波长是个最佳选择。

其实在电信等行业,1550 纳米波长的激光早已得到了普及。虽然硅基传感器对 1550 纳米波长的激光完全没反应,但室温铟镓砷传感器却能派上用场,而此类传感器正好是标准的通讯产品。

不过,切换到 1550 纳米后,激光和传感器的成本都会有所上升,但专家认为这并非激光雷达售价昂贵的主因,复杂的光机扫描仪才是。要想大幅降低激光雷达成本,必须将光机扫描仪换成带有相控阵天线的光学版本。

“许多团队都在用固态面板开发小型化的相控阵光学阵列。”南佛罗里达大学激光雷达专家 Dennis Killinger 说道。

去年,麻省理工的光子系统团队就联合 DARPA 在 300 毫米芯片上开发了固态激光雷达,未来如果能大规模量产,售价能直降至 10 美元。此外,今年年初又有三家公司宣称在固态激光雷达上取得了突破,未来售价将被拉低至 100 美元。

048ednc20170711 Luminar 的激光雷达

据了解,Luminar 的激光雷达方案也较为独特,它准备让车上的激光雷达对准不同的方向,每台激光雷达只朝一个方向发射激光。同时,激光雷达内只内置一个接收器和数个定制的可移动透镜。

不过,Luminar 现阶段并不专注于降低激光雷达价格,它更在乎其性能。

(原文发表于ieee;雷锋网编译)

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