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為了滿足汽車需求，激光雷達(dá)需要具有高性能和可擴(kuò)展性。基于mems的激光雷達(dá)是一個(gè)合適的解決方案。但是MEMS微鏡的孔徑這一影響LiDAR性能最重要的指標(biāo)，如何做大呢？大尺寸MEMS反射鏡的可靠性又是如何的呢?

“基于mems的激光雷達(dá)傳感器通常更便宜更小巧，但它們的性能/可靠性不足以用于汽車的智能輔助駕駛。”我們經(jīng)常聽到這樣的說法。下面我們將解釋inSync的MEMS微鏡陣列如何解決這些問題，并且我們?nèi)绾螢榧す饫走_(dá)研發(fā)了MEMS大孔徑微鏡陣列技術(shù)，以及我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)足夠大的孔徑以獲得更好的激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)，以及系統(tǒng)層面決策的考慮。

(1)汽車應(yīng)用需求:性能、可靠性和可擴(kuò)展性

為了在智能輔助駕駛中使用，LiDAR必須滿足兩個(gè)基本要求: 一，它們必須提供高性能，包括長距離和寬視場角。二，它們還必須是可擴(kuò)展的、可靠的，以便能夠大批量生產(chǎn)并安裝在車輛上。激光雷達(dá)制造商通過各種方法來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。轉(zhuǎn)鏡/機(jī)械式激光雷達(dá)系統(tǒng)，其光束偏轉(zhuǎn)單元通過電機(jī)上的多邊形鏡體轉(zhuǎn)動(dòng)，至今仍是廣泛使用的系統(tǒng)。盡管這些設(shè)備擁有大的視場角——機(jī)械式的甚至可以達(dá)到360°——而且探測距離遠(yuǎn)，但它們的機(jī)械結(jié)構(gòu)需要定期維護(hù)，而且體積大、重量重、制造成本高。因此，機(jī)械激光雷達(dá)系統(tǒng)只能解決傳感器行業(yè)的兩大需求中的性能方面的問題。

應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的另一種方法是MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)。這里的MEMS掃描器是基于硅晶圓設(shè)計(jì)和制造的，具有可擴(kuò)展性的優(yōu)勢:由于這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過多年的試驗(yàn)和測試，因此可以以經(jīng)濟(jì)高效的方式大量生產(chǎn)相同的組件。除其他外，這種方法也用于其他MEMS傳感器的生產(chǎn)。

基于mems的激光雷達(dá)系統(tǒng)如何應(yīng)對性能方面的挑戰(zhàn)呢?

(2)在合適的激光源的幫助下可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的方法

為了使自動(dòng)駕駛汽車能夠高速行駛，它們必須能夠“看到”和感知周圍的世界——不僅是在它們附近，而且在更遠(yuǎn)的地方。在高速公路上行駛時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)檐囕v行駛速度更快，因此必須在更遠(yuǎn)的距離上可靠地檢測到物體、彎道和其他車輛，以便能夠及時(shí)做出反應(yīng)。因此，為了在高速公路上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，傳感器需要很長的探測距離。為了用激光雷達(dá)傳感器實(shí)現(xiàn)這一范圍，發(fā)射器或探測器都需要針對該應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。

這種調(diào)整的一個(gè)可能的出發(fā)點(diǎn)是激光源。通常，LiDAR中使用兩種不同波長的激光器。一些激光雷達(dá)制造商依靠波長為1550納米的光纖激光器。這種波長不能被人眼吸收，因此即使在高能量水平下也可以以眼睛安全的方式使用。這導(dǎo)致了更長的范圍——使用的能量越多，設(shè)備“看到”的距離就越遠(yuǎn)。然而，這種類型的激光源也有一個(gè)決定性的缺點(diǎn):1550納米激光器體積大，制造復(fù)雜，這導(dǎo)致了更高的價(jià)格和較大的激光雷達(dá)外殼尺寸。

因此，許多其他LiDAR使用激光二極管發(fā)射波長為905納米的激光脈沖。它們具有非常小的明顯優(yōu)點(diǎn)，并且已經(jīng)在各種應(yīng)用中使用了很長時(shí)間。因此，這些二極管價(jià)格低廉，在市場上大量可用。但是，人眼安全法規(guī)要求二極管的光束強(qiáng)度低于1550nm激光器的光束強(qiáng)度。因此，發(fā)射器端的優(yōu)化是有限的。

(3)尋找更大的MEMS Mirror鏡面孔徑

那么如何對探測器進(jìn)行優(yōu)化呢?在這里，孔徑在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離拍攝方面起著重要作用。它影響了探測器的有效面積大小。在我們的MEMS mirror陣列設(shè)計(jì)中，孔徑對應(yīng)于鏡像尺寸。為了捕獲盡可能多的光，需要一個(gè)大孔徑---換句話說，一個(gè)盡可能大的鏡子-通常高達(dá)1-2百平方毫米，并且還要考慮這些光機(jī)部分的因素：要接收的光子數(shù)、準(zhǔn)直度、偏轉(zhuǎn)角度和共振頻率。

(4)光子數(shù)量

一方面，激光雷達(dá)單元中使用的反射鏡的大小影響發(fā)射多少光子才能使足夠數(shù)量的光子返回，從而檢測到物體。這個(gè)最小光子數(shù)可以根據(jù)鏈路預(yù)算精確計(jì)算出來。這一測量包括有多少光子在遠(yuǎn)距離和通過低反射表面損失，光的均勻散射和探測器效率低下。這樣，就可以計(jì)算出必須發(fā)射多少光子，或者必須有多大的孔徑才能再次探測到最小數(shù)量的光子。此外，同軸設(shè)計(jì)通常是一種結(jié)構(gòu)，這意味著只有從發(fā)射方向相同的光才會被重新捕獲。這是優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗梢苑乐蛊渌S機(jī)光信號被拾取和干擾或偽造圖像。

(5)光路準(zhǔn)直

為了獲得高分辨率的數(shù)據(jù)，甚至可以可靠地識別小物體，激光必須以準(zhǔn)直的形式發(fā)射掃描目標(biāo)物體。這種準(zhǔn)直是通過在激光器前面放置一個(gè)準(zhǔn)直透鏡來實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)在MEMS Mirror的尺寸又起作用了:鏡子必須足夠大，以偏轉(zhuǎn)所有由鏡頭準(zhǔn)直的光(通常直徑10毫米或更大更好)。這也取決于最佳準(zhǔn)直和高分辨率所需的焦距。

(6)諧振頻率

MEMS Mirror以一定的諧振頻率振蕩。它們由硅刻蝕的電路執(zhí)行器觸發(fā)，因此不需要電機(jī)。這是一個(gè)明顯的優(yōu)勢，因?yàn)殡姍C(jī)的負(fù)載重量很快磨損，需要定期維護(hù)。如果諧振的MEMS mirror是非常小的負(fù)載重量觸發(fā)的，則不會出現(xiàn)這些問題。

MEMS Mirror的諧振頻率和鏡子的大小和光路設(shè)計(jì)方式也有關(guān)。為此，我們開發(fā)的專有的MEMS Mirror Array技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了MEMS Mirror在大的等效孔徑尺寸下工作。由于實(shí)現(xiàn)了超大孔徑，大量的光子可以被引導(dǎo)到周圍環(huán)境并返回到探測器上，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。此外，由于它們的陣列化設(shè)計(jì)，這些小鏡子比直徑幾毫米（4-5mm左右）的傳統(tǒng)產(chǎn)品更堅(jiān)固。

(7)inSync為激光雷達(dá)應(yīng)用設(shè)計(jì)的大孔徑MEMS微鏡陣列技術(shù)

總之，掃描器孔徑是LiDAR性能的最重要的因素之一。為了構(gòu)建基于MEMS的高性能激光雷達(dá)，MEMS Mirror必須具有更優(yōu)化的設(shè)計(jì)，更大的尺寸，并且必須足夠可靠，以滿足汽車測試標(biāo)準(zhǔn)。而且，只有在考慮到激光雷達(dá)應(yīng)用的情況下設(shè)計(jì)的大孔徑的MEMS Mirror，才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、寬視場和高分辨率以及高可靠性、大批量低成本生產(chǎn)的要求。

激光探測和測距，簡稱激光雷達(dá)，是一種使用激光光束來測量與目標(biāo)物體之間距離的探測技術(shù)。然而，激光雷達(dá)不是對單點(diǎn)光源進(jìn)行測距，而是掃描他們前方的區(qū)域形成掃描面，創(chuàng)建他們周圍環(huán)境的2D距離地圖，這可以讓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)識別障礙物和物體。

為了使激光雷達(dá)發(fā)揮作用，需要激光束掃描一個(gè)區(qū)域，而首先用于激光雷達(dá)系統(tǒng)的是轉(zhuǎn)鏡來實(shí)現(xiàn)。雖然旋轉(zhuǎn)鏡是一種有效的方法，但它也非常笨重。旋轉(zhuǎn)反射鏡的使用也會對軸承造成磨損，實(shí)際上轉(zhuǎn)鏡隨著使用時(shí)間推移產(chǎn)生的精度下降是不容忽視的。

激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也可以選擇MEMS Mirror這種方案。MEMS Mirror是在晶圓上制造的微型反射鏡，通常與微機(jī)械部件相連，通過電壓驅(qū)動(dòng)。因此，鏡子可以非常快的偏轉(zhuǎn)在特定的角度，消除了機(jī)械磨損。當(dāng)然，MEMS Mirror最重要的好處是它的尺寸和精度，以及高的掃描頻率；MEMS LiDAR尺寸可以從一個(gè)20立方厘米的大小縮小到和網(wǎng)絡(luò)攝像頭大小相當(dāng)?shù)脑O(shè)備。

（1）激光雷達(dá)代表光探測和測距，其工作方式與微波雷達(dá)非常相似。光源（通常是激光）發(fā)射一束光，光束被發(fā)射、反射和被傳感器探測到之間的時(shí)間被精確的測量后，可以計(jì)算出光源和遠(yuǎn)處物體之間的距離，一般成為ToF飛行時(shí)間法。另外，還有使用相位差檢測的方法用于短距離精度測量的應(yīng)用，即出射光和入射光之間的相位差可以用來解算出距離。

（2）激光雷達(dá)是一項(xiàng)有許多實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)，包括自動(dòng)駕駛汽車、全自動(dòng)無人機(jī)和3D空間測繪。然而，當(dāng)前激光雷達(dá)有幾個(gè)問題阻礙了它的廣泛應(yīng)用，這也使它變得昂貴。第一個(gè)問題來自于需要一個(gè)機(jī)械反射鏡來偏轉(zhuǎn)激光束，這需要一個(gè)馬達(dá)來旋轉(zhuǎn)反射鏡。這樣的電機(jī)不僅消耗大量的能量，而且還使系統(tǒng)變得非常笨重。這樣的轉(zhuǎn)鏡通常也很昂貴（因其對鏡面平整度和鏡面間角度控制精度的要求非常高，另外笨重的轉(zhuǎn)動(dòng)鏡體隨時(shí)間可能導(dǎo)致軸承的旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)偏差，從而種種引起整體光路調(diào)制精度下降），最終的結(jié)果是一個(gè)龐大而沉重的系統(tǒng)，只能實(shí)際集成到較大的設(shè)備中。當(dāng)然頁可以通過改變旋轉(zhuǎn)鏡，例如使用擺鏡等方法來降低成本，但又會減小視場角，但許多應(yīng)用中需要LiDAR的寬視場角。

激光雷達(dá)整體架構(gòu)更小、更便宜、更標(biāo)準(zhǔn)化（模塊化）將有助于將其集成到許多應(yīng)用中，包括工業(yè)應(yīng)用、自動(dòng)駕駛汽車和測繪等。這樣應(yīng)用場合需要對對象跟蹤，對象識別和對象回避，這可能是camera難以實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。與攝像系統(tǒng)相比，激光雷達(dá)具有優(yōu)勢，因?yàn)樗峁└呔鹊木嚯x測量，LiDAR可以高速高精度的區(qū)分前景或背景中的物體，而不需要通過AI的運(yùn)算之后再實(shí)現(xiàn)。雖然攝像頭可以根據(jù)物體的外觀(顏色、形狀和大小)識別物體，但激光雷達(dá)可以用于識別物體的輪廓。激光雷達(dá)系統(tǒng)的分辨率足夠高，可以繪制出物體的光滑輪廓。總的來說，激光雷達(dá)是一種快速技術(shù)，對于需要即時(shí)距離測量的自動(dòng)駕駛汽車來說非常有用，而不需要AI算法來識別平面2D圖像中的物體。此外，毫米波雷達(dá)，3D或4D，其分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于激光雷達(dá)，因此對于多種使用交叉的情況，攝像頭和毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)在智能駕駛中的應(yīng)用是互補(bǔ)的。

（1）MEMS指微機(jī)電系統(tǒng)，可以被認(rèn)為是由電驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器。這些可以包括硅梁、錨點(diǎn)、鉸鏈和懸臂，用于生產(chǎn)大多數(shù)傳感器，包括陀螺儀、加速度計(jì)和振動(dòng)傳感器。MEMS反射鏡是一種微型反射鏡，它附著在一個(gè)硅微加工成型的um級機(jī)構(gòu)上，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流/電壓開啟時(shí)，該微小機(jī)構(gòu)會在安培力或洛倫茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并可用于將反射鏡面指向不同的角度。

（2）幾年前，佛羅里達(dá)大學(xué)的一組研究人員認(rèn)識到MEMS反射鏡可以用于激光偏轉(zhuǎn)，他們創(chuàng)造了一個(gè)MEMS Mirror原型激光雷達(dá)系統(tǒng)，不僅具有廣闊的視野，而且功耗非常低，可以很容易地安裝在小型應(yīng)用中。該激光雷達(dá)系統(tǒng)利用MEMS反射鏡作為激光雷達(dá)系統(tǒng)的掃描元件，由于MEMS反射鏡激光雷達(dá)系統(tǒng)所需功率小，因此可以使用電池為激光雷達(dá)設(shè)備供電。此外，一些LiDAR還集成了一個(gè)被動(dòng)紅外傳感器(通常用于安全系統(tǒng))，以檢測個(gè)人的存在，如果沒有檢測到，則系統(tǒng)斷電。這使得原型非常適合使用智能環(huán)境控制系統(tǒng)(包括供暖和空調(diào)系統(tǒng))的住宅和商業(yè)應(yīng)用。之后隨著機(jī)器人、智能汽車的發(fā)展，對物體識別的需求提高使得LiDAR又在更大的市場和應(yīng)用領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。

① 示波器的帶寬是以正弦波幅度衰減－3dB 點(diǎn)為帶寬定義的。

② 數(shù)字示波器中對于波形和上升時(shí)間的描繪都是通過實(shí)時(shí)采樣電路和高速 A/D 變換器獲得波形數(shù)據(jù)，再通過插值運(yùn)算得到的。

③ 在泰克的示波器中，有實(shí)時(shí)的處理電路完成所謂的正弦內(nèi)插功能，在信號采集電路部分完成。當(dāng)然，很多示波器也是通過示波器的主處理器進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算完成的，這個(gè)時(shí)候會花比較多的時(shí)間。

④ 對于您測量的信號，恐怕使用 100MHz 的示波器是無法進(jìn)行。50MHz 的方波，理論上應(yīng)該使用450MHz 以上的示波器才能將信號中最重要的 9 次以下諧波準(zhǔn)確重新，從而保證波形不失真。更何況，您恐怕還要考慮信號上升時(shí)間的問題，理論上，示波器的上升時(shí)間應(yīng)該比信號快 5 倍以上。

⑤ 探頭也一樣，由于普通探頭在測量高壓的時(shí)候會產(chǎn)生高頻失真的效應(yīng)，您應(yīng)該采用特別的差分探頭或者高壓探頭比如，泰克的 P5205，P5100 進(jìn)行測量。